《温度的检测与控制》由会员分享，可在线阅读，更多相关《温度的检测与控制（480页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、温度的检测与控制第一章第一章 绪论绪论“温度的检测与控制”是材料类专业的一门技术基础课，它涉及的内容主要是温度参量的检测与控制。“温度的检测与控制”是保证材料在热工过程及质量控制中十分重要的一环，是材料研究领域不可缺少的试验手段；对于温度传感器、显示及控制仪表等章节是本课要着重讲述的重点内容。其它部分包括温度、温标等概念作为基础和常识都应当有所了解。1-1. 温度仪表的类别温度仪表的类别 1按测温原理分类4)热辐射温度仪表热辐射温度仪表以上三种仪表都将感温元件与被测介质直接接触，当感温元件与检测介质的温度平衡时，感温元件所检测到的温度就代表检测介质的温度。这是目前应用最广也是最成功的方法，通称
2、为接触式温度仪表。1)膨胀式温度仪表膨胀式温度仪表2)热电式温度仪表热电式温度仪表3)电阻温度仪表电阻温度仪表1）根据材料受热膨胀的特性检测温度变化值，如液柱式酒精或水银温度计，双金属片温度计等。2）不同导体组成的热电回路，由于回路中接点温度差而产生电动势，借此测定温度变化，如各种各样的热电偶。这是研究时间最久也比较完善的检测仪表，是本书阐述的重点内容之一。3）导体的电阻随温度不同而变化，如各种热电阻、热敏电阻与PN结等；4)热辐射温度仪表根据物体热辐射能量的大小反映物体本身温度高低的原理，可以间接测量温度，如光学高温计，辐射温度计，光电温度计等。因为感温器件不与被测介质接触，故又称为不接触温
3、度测量仪表。此类仪表的量程较宽，又不干扰检测介质，受被测介质的影响也较小，因而它的适应范围广。由于热敏与光敏元件质量的提高，集成元件与微电脑的广泛应用，过去在工业上应用不多的光电及红外辐射温度仪表，目前应用日多，质量也有明显的提高。1) 检测仪表检测仪表 2按仪表的功能分类2按仪表的功能分类4)执行器执行器 2)显示仪表显示仪表 3)控制仪表控制仪表 (1)检测仪表感受参量的变化并转换成适当的可测信号的元器件，通称为检测仪表，它包括传感器与变送器(转换器)两大类，上述四种仪表都属于检测仪表。(2)显示仪表将检测仪表输出的可测信号，以指针、记录笔或数字显示出来，通称为显示仪表，主要有模拟显示与数
4、字显示两大类，前者应用已久，并且十分广泛，后者且近20年发展起来的，应用日益普遍。(3)控制仪表将检测仪表输出的信号值与热工工艺所设定的值相比，对被控量实施自动控制作用的仪表，它分为模拟控制仪表与数字控制仪表两大类，后者与微电脑技术结合又分为可编程数字控制仪表与智能控制仪表。（4）执行器将控制器发出的电(气)动控制信号，通过执行器转换成机械(直线或角)位移以调整被控参量的数值，使之符合热工工艺的要求。对于燃油或燃气炉炉温控制是电(气)动执行器与电(气)动控制阀；对于电热炉则是晶闸管或调功器，简单的位式控制系统则是接触器或电磁阀等。图1-1温度的检测与控制仪表原理系统图1-2仪表的静态特性仪表的
5、静态指标决定于仪表的静态特性。它是以标准量作为被测量，在保持各种干扰为恒定或为零的情况下，在保持各种干扰为恒定或为零的情况下，于一定范围内改变标准量，使仪表输出量在相应一定范于一定范围内改变标准量，使仪表输出量在相应一定范围内变化，这种在平衡状态下的输入输出特性，就是仪围内变化，这种在平衡状态下的输入输出特性，就是仪表的静态特性表的静态特性，它有一些静态指标。这里注意：当被测量变化缓慢或恒定不变时，只考虑其静态特性指标是可行的；而当参量的变化较快或者是不断变化的，则必须考虑仪表输出与输入随时间而变的关系，这就是动态特性。温度的变化相对于其它参量是一个缓慢的过程，所以本课程对温度仪表一般只作静态
6、特静态特性性介绍。1灵敏度灵敏度仪表输出信号相对于输入信号变化量的比值定义为灵敏度，以S表示：也可用相反的比例式表示。以热电偶的静态特性为例，其灵敏度可定义为温度变化1摄氏度时，热电偶的输出电动势的变化，单位为mV,或电动势变化l毫伏时温度的变化，单位为/mV，当参量变化是线性时，则S为常数，灵敏度就是特性直线的斜率，如图1-2a；如参量变化不是线性的，则灵敏度不是常数，特性曲线需进行线性化处理，如图1-2b；2线性度线性度仪表的输入输出关系的特性曲线，与理想直线相近程度称为线性度，它定义为与与理理想想直直线线的的最最大大偏偏差差值值B与与仪仪表表的的输输出出范范围围A的的比比值值，以以L表示
7、表示：理想直线是通过回归分析法确定的，输出变化范围就是仪表量程最大与最小值之差如图1-3所示。线性度好，仪表的输出可以平均刻度，仪表标尺是均匀的。如果把理想直线作为仪表的实际特性曲线，则L就是仪表的非线性误差。图中曲线1与2的非线性误差是不同的。变差：是由于仪表的机械结构存在间隙、摩擦或阻尼特性造成的，只能通过实验方法测定。这是仪表本身结构上存在的误差，是难以避免的，一般规定在一定范围以内。4分辨率分辨率引起仪表指示值发生变化的最小输入量变引起仪表指示值发生变化的最小输入量变化值称为仪表的分辨率化值称为仪表的分辨率，这是仪表能检测到被测量最小变化的能力。模拟仪表规定为刻度标尺最小分度值的一半，
8、数字仪表则规定为最末位的一个字。1-3 仪表的测量误差仪表的测量误差一、一般概念一、一般概念测量是指应用一定的工具或仪器，去查明某一试验参量在某一时刻的大小，并显示出该参量的瞬时值或连续变化的值。人们不能指望此测量值绝对正确，原因是无论测量工具或仪表本身都存在不足，测量方法也有缺陷，因而测量值与实际值必然存在偏差，这个差值称为测量误差。我们只能尽力将误差减到最小或减到可以接受的程度。本节只介绍基本误差及误差评定，至于误差的综合与分配以及误差的传递，将结合温度测量介绍当绝对值r用测量单位表示时称为绝对误差。实际上真实值是得不到的，所用工具或仪器的指示值，是以某种标准量具或标准仪表进行比较而得到的
9、，这种比较本身虽然也存在误差，人们只好认为工具或仪表的示值加上已给出的修正值为真实值。1绝对误差绝对误差测量值z与真实值M之差的绝对值r为既然真实值难以得到，要衡量测量值的真实性只能用一些比较性的概念。2相对误差相对误差绝对误差r与测量值z或真实值M之比称为相对误差rs或从上式可看到，r0代表着在仪表量程AH范围内，实际存在的最大误差相对于仪表量程的误差范围，因而可代表仪表的精度。3基本误差基本误差所谓的基本误差，是指仪表在全量程范围内存在的最大绝对误差与仪表量程之比的百分数，即：将上式加以变化：4最大可能相对误差最大可能相对误差基本误差r0由上式不难看出，当选用的仪表量程略高于常测量温度时，
10、存在的最大可能相对误差最小，可为仪表量程的选用仪表量程的选用提供依据。最后得到：5精密度与准确度精密度与准确度对某一参量进行同样的重复测量，所得各测量值之间的接近程度差别愈小，测量值密集，则测量值的精密度高，相反，测量值分散则精密度低。由此可见，精密度具有较大的随机性。准确度是指测量值接近真实值的程度，它比较有规律性。准确度高，不一定精密度高，而精密度高可能准确度也高。因为多次重复测量值很相近，但可能与真实值相差很大。譬如打靶，当“精密地”打在偏靶的某一方，中弹密集，但记录环数却很低，又如准确打在靶心附近，虽然分散在靶心同围，但记录环数很高，即精密度与准确度均较高。反之，如果分散并离靶心较远，
11、则精密度与准确度两者均低。6仪表精度与精度等级仪表精度与精度等级仪表精度是指仪表的指示值与真实值接近的程度。精度等级则是仪表的基本误差，一般以仪表的示值范围的百分数表示，例如仪表的基本误差为最大值的0.5或1，则仪表的精度等级分别是0.5级或1.0级，依此类推。仪表的基本误差是仪表在规定的工作条件如环境温度、湿度、电源电压与频率符合规定的情况下校准仪表所具有的误差。0.51.0归 纳 起来 可 分为三类，其 相 互关 系 与来 源 如图所示。二、误差的来源与分类二、误差的来源与分类操作人员检测误差检测方法检测仪表环境条件测量误差偶然误差疏失误差系统误差误差检验误差评定舍弃1系统误差系统误差由测
12、量工具和仪表不准确或其量值不正确引起的，其变化有规律，如电源电压波动或频率不符，仪表零点未调控好，环境温度或湿度有变化，接触电阻改变等，主要影响仪表的准确度。这些误差可以通过定期校正仪表或采用不同测试方案加以避免或消除。12疏失误差疏失误差仪器或工具使用不正确，读数错误或测试方案错误，甚至使用人员技术水平差等原因均会造成疏失误差。这种误差是不能接受的，当然也是不允许的。3偶然误差偶然误差这是由种种难以预料的因素引起的，具有随机性，故也称为随机误差，主要影响仪表或工具的精密度和精度。可以通过大量反复进行测试来减小。在相当多的情况下，这种误差服从概率统计规律，所谓分析和处理误差都是指偶然误差而言。
13、对于一组测量数据是否符合要求，首先要消除系统误差，然后按偶然误差进行统计分析，才能对它进行数据处理。三、偶然误差的表示方法三、偶然误差的表示方法1算术平均值算术平均值由于真实值是无法测到的，一般以算术平均值代之，只要测量次数足够多，各次测量值zi的算术平均值z0为显然，当n时，随着测量次数n的增多误差减小很慢，一般情况下测量l020次就行了。各次测量值与算术平均值之差称为残余误差，简称残差或余差mi残差有正有负，其代数和为零，即mi0。算术平均值是真值的期望值，由于测量次数有限，必然存在误差，以残差表示的算术平均误差S为也可简单表示为2偶然误差的概率分布偶然误差的概率分布偶然误差虽然具有随机性
14、，从统计分析表明，误差出现的几率服从正态分布规律，即误差出现的次数y可用下式表示式中：h测量的精度指数，R误差偶然误差具有以下特性：(1)对称性绝对值相等而符号相反的误差出现次数相等；(2)单峰性绝对值小的误差比绝对值大的误差出现次数多；(3)有界性在一定条件下，偶然误差的绝对值被限制在一定范围内；(4)抵偿性随着测量次数的增多，偶然误差的算术平均值趋于零。3标准误差标准误差每次测量值zi绝对值的均方根称为标准误差：标准误差由于真实值并不知道，通常用测量值zi与测量值的算术平均值z0之差，即以残差mi进行计算，按算术平均的标准误差z为算术平均误差S与算术标准误差的关系为 如果标准误差的数值小，
15、表明测量值中的小误差占优势，各次测量值与算术平均值的分散性小，测量的可靠性大，说明测量精度高。相反，如数值大，则测量精度低。标准误差表示了测量的精度系数K随测量次数增多而减小有如下关系：当n30时，误差在1以内，标准误差可以不必修正。当n10时，误差值为3，因此一般认为测量次数不宜少于10次。4测量次数少的偶然误差测量次数较少，误差出现的概率就不一定是正态分布，标准误差可表示为n2345k1.2533 1.1284 1.0854 1.0638n6789k1.0609 1.0424 1.0362 1.0317n10152025k1.0281 1.0180 1.0132 1.0105n304050
16、100k1.0087 1.0064 1.0051 1.0025四、误差检验四、误差检验对于得到的一组测量值，进行误差分析，在于研究误差产生的原因，寻求消除或减少误差的途径，以提高测量的准确性；计算测量误差的大小及其变化规律，修正测量结果并对测量值的可信性作出判断。首先剔除疏失误差并舍弃可疑值，检验系统误差，然后进行分析计算并评定测量值。1舍去可疑值舍去可疑值凡是明显不符合规律、特大或特小的测量值被认为是疏失造成的均应舍去。按常用的方法即当3时应当舍去，也可根据残差mi值，当mi4S时也应当舍去。对可疑值的检验，还有其它一些方法和准则，这里从略。2. 检查系统误差检查系统误差消除系统误差，才能保
17、证和提高测量精度。但发现和消除系统误差并不是简单的问题，这里介绍一些常用的简便方法。n个测量值，残差的正号与负号个数的差值|S|,如果|S|2n就可能存在系统误差。当残差的正负个数大体相当，差值也无显著变化就可以认为没有系统误差。如果残差有规律的递增或递减，必然存在系统误差。如残差有规律地由正变负或由负变正，就存在周期性的系统误差。正负误差的平方和|K|3.4641n，存在系统误差。残差之和mi2n，可以认为没有系统误差。还有一些判明是否存在系统误差的方法和准则，这里从略。 消除系统误差并没有绝对有效的方法。对一个测量值进行两次以上的多次测量，在多次读数中出现的系统误差可能大小相同而方向相反，
18、取测量的平均值，这是消除系统误差简单而比较有效的方法。将测量值选一中间点测量两次，取两次测量值的算术平均值，可望消除系统误差，在测量点附近，即使不是线性变化的参量也可以认为是线性的，采用此法也可能消除系统误差。3误差评定误差评定按上述方法对一组测量值进行检验，消除可疑值，在没有系统误差的情况下，应进行误差评定。实际上就是计算测量值的算术平均值和标准误差，并按极限误差正确表示测量结果。假定取一组测量值zi列于表11中，采用上述方法进行误差评定，其步骤如下：残差：mizi-z01(表中第三列)残差和mi212.15995(表中第四列)按3检查可疑值 330.379471.13841计算标准误差计算
19、算术平均值残差mi2ziz02(见表中第四列)残差和|mi2|3.5013由表中第三列看出，残差mi1，均小于1.13841，故没有可疑值。但z830.56，看来太大，还值得怀疑，故再按4S法进行检验，即略去z8测量值后计算算术平均值计算算术平均误差按4S检查可疑值4S40.2334=0.9337可见m814S，就是说z8并非可疑值。至此这组测量值就算检验完毕，测量结果可评为Z=Z01129.623750.37947采用计算机计算相当简单，程序框图见图l9，程序见表l2。关于测量数据的处理与表示方法不是本书涉及的范围，需要时请参阅专著。本本 章章 小小 结结温度的检测与控制，是材料实验和热工工
20、艺过程中经常遇到的问题，温度参量检测与控制准确，是保证试验结果正确与热工质量的重要的一环，这是学习本课目的。仪表的精度是仪表本身决定的，加上测量方法与环境条件的影响，参量检测与控制的准确性，只能限制在仪表或系统所能达到的精度范围以内。测量误差是不可避免的。在普遍采用的等精度测量中，算术平均值与标准误差是简单而有效的处理方法。只要结合实际选用仪表恰当，操作得法，就可避免疏失误差和消除系统误差，则测量数据可靠性高，误差可能最小。复习思考题复习思考题1.参量的检测与控制仪表是如何组成的，以框图形式表示并说明其相互关系和作用。2何谓仪表的静态特性，它有哪些指标?3标准误差表示什么意义。第二章第二章 温
21、度传感器温度传感器2-1 温度与温标温度与温标一、温度及温度测量一、温度及温度测量温度是热工参数中最重要的量值。几乎没有不要求温度检测的生产过程，温度测量是否正确，直接影响产品质量。温度：是表征物体冷热程度的一个状态参数。是物体分子平均动能的标志。为了研究物体的受热程度，人们根据冷热程度不同，物体间的热交换或某些物理性质密切相关的特殊现象，例如某些物体如酒精、水银或双金属片的热胀冷缩现象，某些金属与非金属导体受热后产生电动势，某些导体本身的电阻受到热或光照射而发生变化等。利用上述不同原理制成了各种感温元件如水银温度计、热电偶、热电阻、光学及辐射温度计等。温度测量有两类仪表。一类是温度敏感元件直
22、接与被测介质接触，根据热力学第一定律，当传感器与被测介质处于热平衡状态时传感器感受的温度，就是被测介质的温度。接触法测量温度的仪表较多，如水银温度计、热电阻、热电偶等。这类仪表的特点是结构比较简单，使用方便，准确度也较高，因而是应用最多最广的一种测温仪表。不足之处在于感温材料与被测介质接触，受到材料本身承受温度的限制或被介质污损，且当被测对象较小时，其温度分布会受到传感器的影响。另一类是温度敏感元件不直接与被测介质接触，而是根据光和热辐射原理，将被测介质的辐照能量，通过适当方式聚集并投射在光敏或热敏元件上，热能转换为电信号输出以测定温度，如光学高温计及辐射温度计等。不接触测温法的特点是温度响应
23、快，测温范围广，是测量高温应用最多的测量方法。此类仪表的结构复杂，使用方法也较讲究，准确度相对要低一些。测量温度的方法是多种多样的，归纳起来列于表21中，图中列举了不同温度测量仪表及其测温范围。图21温度检测仪表及控温范围二、温标二、温标温标是表示温度高低的尺度，简称温标。是温度传递的标准，是温度传感器与温度仪表进行分度的依据。1经验温标经验温标经验温标出现最早，它是在有了相当精确的水银温度计后建立的实际可行的温标。(1)华氏温标1706年华氏(Danie1Fahrenheit)提出了以水和氯化铵融体为“32”，正常人的体温为“96”，后改为冰水融体为“32”，水的沸点为“212”，中间等分为
24、180份，每份为1度， 以 表示。(2)兰氏温标1730年兰氏(Rankine)提出以水的冰点为“1000，水的沸点为“1080”，中间等分为80份，每份为1度，以表示。(3)摄氏温标1742年摄氏(AndersCelsius)提出以水的冰点为“0”，水的沸点为“100”，等分100份，每份为l度，以表示。这些温标对当时温度传递起了积极作用，目前欧美各国都还在使用，但都是按国际温标定义的，与早期的温标有所区别。三个经验温标值之间相互换算的关系如下：2热力学温标热力学温标热力学温标是根据热力学第二定律建立起来的。1824年卡诺对热机效率进行了卓有成效的研究，在等温与绝热过程中，卡诺热机的效率是两
25、个实验温度的函数，与工质的物理性质无关。根据卡诺原理，热机自温度为t1的高温热源取得热量Q1，作功后的温度为t2，向低温热源放出热量Q2。开尔文(Kelvin)根据卡诺原理，提出了热力学温标。由卡诺定理，膨胀气体作的净功W为WQ1Q2热转换为功的效率为卡诺热机的效率0为实际上Q2不会等于零，T2也不可能等于零，因此或0总是小于1的。但它却告诉我们，当Q20时，温度T2是可能的最低限度，即物质的热力学零度。为了与前述冰水融体的零度相区别，称之为绝对零度。温度测量单位的大小是人为确定的，这要有规定的条件，并选好适当的参考点(可以在任何地方复现的参考点)，称之为定义温度的固定点，简称固定点。由于历史
26、的原因，仍取冰水融点T2及水沸点T1为参考点，把它们之间的温度定义为n，即T1T2n设卡诺热机在热源与冷源之间工作，不难得出这就是开尔文温标的表达式。显然，这个温标只与热量有关，与工质的物理性质无关，是理想的热力学温标。要测量热量必然涉及温度计量，当时又尚无准确测温仪器，故开尔文温标无法直接实现。3理想气体温标理想气体温标温度不变时，定容积(V)气体的体积，与所受到的压力(P)成正比。当容积保持不变时，气体因压力升高而被压缩，温度为t时的压强Pt为PtP0(1t)P0在标准状态下的压强，P0101325Pa；气体压缩系数。显然，上式表明，容积不变时，定量气体的压强Pt与热力学温度T成正比。这就
27、是定容气体温度计所根据的原理。当压强不变时，气体因温度升高而膨胀，在温度为t时的容积Vt为VtV0(1十t)式中V0标准状态下的容积；气体膨胀系数。上式表明，压强不变时，定量气体的容积与热力学温度T成正比。这就是定压气体温度计原理。由于气体在压强不高的情况下，与十分相近，即0.003661-1=1273.15-1同理，令T1-T2=n，则有：T2=T1-n，T1n+T2通常采用接近理想气体的氢、氦等作为气体温度计的工作介质，由理想气体状态方程可知：代入上式，得因此，任意温度的表达式为既同理上式就是气体温度计定义的理想气体温标，与热力学温标十分接近。直到气体温度计研究成功，热力学温标才得以实现。
28、由于气体温度计构造十分复杂，使用条件要求严格，只能用作基准器复现热力学温标。而国际温标只能采用便于复制的标准器，这就是后来出现的实用国际温标(IPTS)。4国际温标国际温标实现国际温标需要三个条件：即要有定义温度的固定点，一般是利用水、纯金属及液态气体的状态变化；要有复现温度的标准器，通常用的是标准铂电阻、标准铂铑热电偶及标准光学高温计；要有定义点之间计算温度的内插方程式。1927年采用第一个国际温标(ITS27)，经过1933年，1948年及1960年三次国际度量衡大会修改后，改为1948年国际实用温标(IPTS48)。解放后我国采用的就是IPTS48。1968年国际度量衡大会，对IPTS4
29、8作了重大的修改和补充，改名为IPTS68。我国从1973年元月开始正式采用，凡是涉及到温度量值的一律以IPTS68为准。国际温标的变化如表2l。IPTS68规定以Kelvin表示热力学温度，用“K”表示，简称“开”。以摄氏度(DegreeCelsius)代替沿用的百分度(Centirade)，仍以“”表示。应该注意，绝对温度以“K”表示。不再用“0K”表示了。绝对温度也通用热力学温度表示，它与摄氏度之间的关系为式中式中 T。热力学零度，热力学零度，T。273.15K IPTS68为适应科学技术的发展，在低温增加了五个第一类定义温度的固定点，大大扩展了低温量限。加上气体温度计测量技术的提高，及
30、高纯金属的提炼成功，IPTS68定义的温度与热力学温度相当一致。1975年公布了IPTS68修订本，作了一些改进，它与IPTS68并行使用。高一级温标逐级向下传递的，我国的温标传递系统是国家及省市计量局。在一些科研机构、大型工厂及高等院校具有二级标准。传递过程如表22所示。三、温度测量系统组成三、温度测量系统组成温度测量系统是由温度传感器及显示记录仪表构成的，通称为温度计。它的种类繁多，大体上可以划分为测量低于600的温度计，测量高于600的高温计两大类。温度计(包括液柱式温度计、双金属片温度计)，普通金属热电偶，热电阻，热敏电阻以及红外温度计。高温计包括贵重金属及难熔金属热电偶，高温铂电阻，
31、光学及辐射高温计等。无论哪一种温度计，其测温系统的组成都是相似的，主要应考虑四个问题：(1)温度范围这是选择传感器的主要依据。如图2-1中列出的各种温度计与高温计的量值范围，原则上在此范围内的任何一种温度计都可选用。(2)使用场合温度传感器应用在什么场合，是重要的条件，如箱式电炉是氧化气氛，可控气氛炉是还原性气氛，盐浴炉的腐蚀性强，高频炉的干扰严重，这就要根据实际需要决定。可供选择的可能条件是传感器尺寸(如直径及长度)、传感器及其保护材料以及传感器结构等。(3)温度响应这主要是传感器的质量(M)、介质与体积决定的。接触式传感器的时间常数愈小，温度响应愈快。不接触式温度传感器一般都具有足够灵敏度
32、，响应无问题。(4)传输方式所谓传输方式是指温度传感器将温度信号传送到温度显示仪(或显示记录仪)的组成方式，如有的温度测量要求不高，需要就地显示，即可采用普通液柱式温度计或气压式温度计；有的需要传送较远，则应采用热电偶等电传温度计。由此可见，最简单的温度测量系统是由温度传感器及温度显示仪表组成的，如图22a。较完善的系统是由传感器与温度显示记录仪表组成，或者还将温度信号经变送器转换为统一电信号，如图22b所示。温度被测对象温度显示记录仪温度变送器温度传感器温度被测对象温度显示仪表温度传感器kkmAk22 热电偶热电偶一、热电效应一、热电效应1821年德国物理学家塞贝克(TJ.Secbeck)在
33、研究两种不同金属导体构成的回路中的电磁效应时，发现了热电动势。经法国物理学家珀尔贴(Peltier)及英国物理学家汤姆逊(Thomson)的继续研究，证明了塞贝克热电动势是由珀尔贴电动势和汤姆逊电动势两种热电动势构成的。研究证明，不同材料具有不同的热电序，它们在不同温度下的序列有所不同。常用作热电材料的热电序如表23所示。1珀尔贴电动势珀尔贴电动势不同材料中自由电子密度是互不相同的。当两种导体截面相接触时，在接触面上必然发生电子扩散，失去电子的一方呈正电位，获得电子的一方呈负电位。自由电子扩散到一定程度时达到动平衔，在温度为T的一端形成一定的接触电动势EAB(T)，见图2-3。EAB(T0)E
34、AB(T)+T0TEA(T，T0)EB(T，T0)AB式中k玻耳兹曼常数；e电子电荷量；NA、NB材料A和B的自由电子密度同样，在温度为T0的一端也有接触电动势EAB(T0)，在回路中的接触电势EAB（T，T0）为2汤姆逊电动势汤姆逊电动势温差形成的电动势，两导体A、B的汤姆逊电动势分别为则汤姆逊系数汤姆逊系数 综合上述两种热电效应所构成的温差电动势，就是不同导体构成回路时因两个接点的温度不同(TT0)所产生的热电动势，即热电动势决定于构成回路的材料类别与闭合回路中两个接点的温度及温度差。当材料一定时，热电势只是两个接点温度函数的差值，所以上式可简单表示为当温度t00时，或t0C时或通常将保持
35、在0或某一常数值的T0端称为冷端或自由端，用以感测温度的T端称为热端或工作端。从上述分析可见，热电偶所产生的热电动势决定于温度T、T0及它们之间的温度差；热电动势的大小与热电偶材料的断面大小无关；其次，保持冷端为0或某一常数值，是使用热电偶的前提条件，必须充分注意。温标温标 温标是表示温度高低的尺度，简称温标。是温度传递的标准，是温度传感器与温度仪表进行分度的依据。经验温标经验温标温度温度 是表征物体冷热程度的一个状态参数。是物体分子平均动能的标志。国际温标国际温标 三个条件：定义温度的固定点；复现温度的标准器；内插方程式。热力学温标热力学温标热力学温标是根据热力学第二定律建立起来的。热电效应
36、热电效应珀尔贴电动势珀尔贴电动势汤姆逊电动势汤姆逊电动势由于NA、NB和A、B都是与材料相关的常数，因而热电势可用函数表示：当温度t00时，或t0C时或从而可见：闭合回路两结点间的热电势的大小只与两结点的温差有关二、热电回路的基本定则二、热电回路的基本定则由热电效应的分析，可得以下几个基本定则。1均质材料定则均质材料定则 单一材料导体做成的热电回路，由于NANB，所以尽管两接点温度不同（TT0），回路中的总电动势恒等于零。由此可见，热电回路必须用两种不同材料做成，NANB，才能反映出温度的变化。但须注意，如果导体材料不均质或局部不均质，沿导体有不对称的温度梯度时，必然产生附加的热电动势，使热电
37、偶测温产生误差。2中间导体定则中间导体定则 任何不同材料作成的热电回路，只要它的接点温度一致，热电动势总和等于零。由此可以推论，当热电回路中接入第三种导体时，只要它们的接点温度一致，热电动势总和仍为零。就是说，热电回路并不因接入第三种导体而影响它的总电动势。如图24中热电偶两种导体A与B，两端接入第三导体C，假定TT0，则回路的总热电动势为设热端温度T大于T0，回路的总热电势为由前页式得将上式代入，可得上式表明，接入第三导体后，并不影响热电回路的总热电动势，条件是第三导体接入热电回路的两个接点温度T0相等。这样就可以用合适的导线自热电偶冷端引出，并接到温度显示记录或控制仪表上。另一推论是，任何
38、两种导体A、B与第三种导体C构成热电偶的电动势分别为EAB，EBC，如图25，则用A、B两种导体构成的热电回路EAB为从热电回路各接点的电动势和可知，式（a）、（b）相减得此即这里的第三导体，是采用铂丝作参考电极，其它热电极与它配对，分别在热端t100，冷端t0时测定其电动势，如表24所示，则任何两种热电极配对后的热电动势就是它分别与铂配对的热电动势之和。铂丝参考电极称为标准电极，因此这一推论有的也称为标准电极定则。3中间温度定则中间温度定则任何两种不同的均质导体A、B构成的热电偶，当两接点温度为T1与T2时，产生的热电动势为E1；当两接点温度为T2与T3时，产生的热电动势为E2。则当两接点温
39、度为T1与T3时，热电回路的总电动势EE1+E2，如图2-6所示。由此可以推论，在某一冷端温度(通常是在0)检定的热电偶，经适当修正，可以在不同冷端温度的场合下使用。于是，这就给热电偶的使用带来了方便，条件是按实际冷端温度进行适当修正。另一推论是，可以采用与热电偶热电特性相同的导线接入热电回路，将热电偶的冷端由温度为T2(见图26)的地方延伸到另一不同温度T3的地方。这就是延伸热电偶冷端的原理，给热电偶的使用带来极大的方便。三、热电极与热电偶三、热电极与热电偶1热电极材料热电极材料热电极主要是用金属材料制成，也有用非金属材料及半导体材料作成的，但应用也还不多。对热电极材料的要求是：化学稳定性高
40、，物理性能稳定，不受环境气氛的影响。热电势大及灵敏度高，且线性度较好。材料复制性能优良，价格便宜。电阻温度系数低，机械性能好，便于拉丝与焊接等。显然，要同时满足这些要求的材料是没有的，但可以根据实际需要，如温度高低、被测介质气氛等实际情况出发，总能找到一些合适的材料。常用热电极材料及其特性列于表24中。2常用热电偶常用热电偶取不同的热电极，只要它们的热电序或热电动势相差较大，就可以组成合适的热电偶。我国常用的热电偶有以下几种：(1)铜康铜（CuNi）热电偶(T型)这是在氧化、还原与惰性气氛中都适用的热电偶。由于热电极材料均匀、性能稳定，在潮湿气氛及摄氏度零度以下温度范围内使用，也不会出现明显的
41、腐蚀现象。由于铜在500时就会很快被氧化，故限制在400温度以下使用。这种热电偶灵敏度高，热电动势稳定，故测温精度较高，不但可制作普通热电偶，也可用作标准热电偶。(2)镍铬康铜（CuNi）热电偶(E型)这是适于在氧化与还原气氛中使用的热电偶，特点是热电动势较大，性能也较稳定。试验表明，在核辐射照射下，热电特性也基本稳定，可用于核反应堆。由于在还原气氛或含碳与含硫气氛中，材料容易变脆，故有人认为这种热电偶不宜在这些气氛中使用。长期使用温度在800以下，短期使用可达1100。测温不确定温度小于400，使用时为4，大于400时，为所测电动势的1。(3)镍铬-镍铝(硅)热电偶(K型)含铬1820的镍合
42、金具有良好的抗氧化性能，在还原气氛中的稳定性也大大改善。此种热电偶抗氧化能力强，热电动势稳定性好，材料也不易变脆。在镍铝合金中加少量的硅，也会大大改善抗氧化能力，在还原与氧化气氛中输出热电动势均较稳定。因此，这是一种最通用的热电偶，适于1300以下的温度，测温不确定度小于400时为4，大于400时为所测电动势的1。(4)铂铑10-铂热电偶(S型)铂（Pt）和铑（Rh）都是难以被氧化的高温金属，抗氧化能力强，热电特性稳定。由于Pt在1400长期使用时会产生晶粒长大现象，不但抗拉强度下降，且在晶粒边界上易受污染而使热电特性变化。在还原气氛中会很快引起A12O3，MgO及SiO2还原成金属而向Pt或
43、Pt-Rh合金中扩散，不但使材料的熔点下降，且使铂或铂合金变脆，热电动势产生漂移；在含碳与含硫气氛中，也会受到污染。使用这种热电偶时要注意热电极所用绝缘材料的氧化处理，在热炉中使用也要慎重。适于1350以下温度测量，短期使用可达1600。测温不确定度小于600时为3，大于600时为所测温度的510-5。(5)双铂铑热电偶(B型)Pt的熔点为1772，加入Rh后，不但提高材料的熔点，热电动势的稳定性也相应提高。试验表明，加入Rh3，温度可提高到1800，加入Rh10可提高到1900，加入Rh40可提高到1950。由于Rh的加入量增加，材料的机械强度改善，使用温度也相应提高。双铂铑热电偶有好几种，
44、我国采用的是PtRh30-PtRh6，其热电特性曲线在800以下很平缓，故当冷端温度不高于50时可以不考虑冷端温度变化的影响。这种热电偶可长期用于1750，短期使用可达1800。(6)钨铼热电偶(W-Re)W和Re都是难熔金属，其熔点均在3000以上，是高温测量用的热电偶。由于W容易氧化，加入Re可以提高材料的抗氧化能力。钨铼合金有多种，热电偶的种类也较多，我国采用的是WRe5-WRe20，适于2500温度测量，短期使用可达2800。限于保护管材料，目前还只能用于2000。由于它的抗氧化能力差，适于在氩、氮、氦气氛中；真空、干燥氢气或其它有碳存在的还原性气氛中使用。在氧化性气氛中使用时，必须加
45、气密件良好的外保护管。(7)其它热电偶除上述常用的热电偶外，还有钨-钼热电偶，铱铑（IrRh）50-铱热电偶，都可用作高温测量，可使用于2000，由于热电动势较低，故应用不广。非金属热电偶如石墨-石墨(晶型不同)，炭化硅-石墨，硼-石墨，氧化铬-碳化铌热电偶等均各有其特点和适用范围，但并未标准化。其中值得注意的是非金属热电偶，它们具有较好的抗腐蚀性能，热电动势高，熔点也高，在解决高温盐浴炉测温，钢水、铁水以及炉渣的温度测量中可能比较适合，但研究得还不够。几种非金属热电偶的热电特性示于图2-7中。普通热电偶只适于一般的常规场合下使用，视不同情况可选择不同等级的热电偶。国产热电偶的测温范围，使用温
46、度与允许误差列于表2-5中，使用时选择。1均质材料定则均质材料定则单一材料导体做成的热电回路，由于NANB，所以尽管两接点温度不同（TT0），回路中的总电动势恒等于零。2中间导体定则中间导体定则任何不同材料作成的热电回路，只要它的接点温度一致，热电动势总和等于零。由此可以推论，当热电回路中接入第三种导体时，只要它们的接点温度一致，热电动势总和仍为零。3中间温度定则中间温度定则任何两种不同的均质导体A、B构成的热电偶，当两接点温度为T1与T2时，产生的热电动势为E1；当两接点温度为T2与T3时，产生的热电动势为E2。3.热电偶的一般结构热电偶的一般结构取两种不同类的热电极，将它的一端焊接或扭结妥
47、善，分别套上单芯或双心的绝缘体，装在外保护管内，并配一个接线端子盒即成为一支普通的热电偶，如图2-8。热电极材料是根据所测温度的高低决定的，这在前面已经介绍了。热电极的粗细视实际需要而定，贵金属热电极一般用0.30.6mm；普通金属热电极，工业生产用的为1.53.5mm，实验室用的为0.5mm。热电极的长度取决于安装部位的深度，并和热交换特点有关，一般长度在2503000mm之间。热电极粗而长，做成的热电偶自然要笨重些，时间常数也较大；相反，则时间常数小，反映也灵敏。热电极的焊接可以用电弧焊，氧焊或接触焊。热电极粗的宜用氧焊，焊接应将热电极整理清洁平整，视需要不同采取平头对焊或扭结起来焊接，如
48、图29a、b、c所示。直径粗的热电极，扭结困难，也可用碰头氧焊，如图29d。使用的焊条应与任一热电极的材料相同。焊好的热电极整洁光亮，没有气孔或气泡。绝缘体常用的是瓷珠或瓷管，以套上热电极为宜，如33.5mm的热电极，应用芯孔直径44.5mm的瓷珠或瓷管，其外径为1214mm，长2530mm，采用40.5mm的热电极，宜用芯孔直径0.8mm，壁厚0.2mm，长515mm的单芯或双芯瓷珠；如采用瓷管绝缘，其长度应为5001000mm，视热电偶长度选定。要求绝缘瓷珠或瓷管清洁，不允许粘附有油污或沉积其它赃物。必要时，使用前应在氧化焰或通氧管式炉中将污染物彻底烧去。热电偶的外保护管常用炭钢、不锈钢、
49、铬钢及陶瓷材料制作。为了防止漏气，外壁应镀镍或镀铬，可在600下使用。采用不锈钢管，可用于9001000；采用高氧化铝或氧化锆管，可用于13001500；采用金属陶瓷管可用于1600。在实验室条件下，为了获得温度的快速响应，可以不用外保护管，直接使用裸露的热电偶。国产常规热电偶的型号与规格如表26。热电偶的规格较多，视所测温度范围与使用条件选用不同直径与长度的热电偶即可。外保护管的底端封闭，是热电偶的工作端；另一端开口接一个端子盒，由于实际状况不同，上述热电偶的常规结构不能满足需要，如表面温度测量、高速高温气流温度测量，熔触金属温度测量等，热电偶的结构就完全不一样，有的还需要专门设计。四、热电
50、偶的静态特性与分度表四、热电偶的静态特性与分度表当热电偶的冷端温度保持为0时，热电偶随温度t升高而产生的热电动势E，如图2-10所示。热电偶输出信号与输入信号的关系称为热电偶静态特性，通常是用静态校正方法得到的。热电偶的静态特性可用数值方程的多项式表示一般E的单位为mV，t的单位为。视温度范围不同，在三个或更多个定点温度下分别测定热电动势，即可求出常数a1、a2、a3、。对于不同的热电偶自然有不同的方程，采用计算机计算出不同热电偶的热电动势与温度的对应关系表，称为热电偶的分度表。铜 -康 铜 (T型 )热 电 偶 ， 当 冷 端 温 度 为00.2时，在0400范围内用下式计算不同热电偶的分度
51、表分别列于附录一中，只要测定了热电动势，即可由分度表查得相应的温度值。配用热电偶的各种显示仪表上的标尺都是按相应的分度表划分的，故使用时应采用与热电偶分度号相同的显示仪表。五、特殊形式的热电偶五、特殊形式的热电偶1表面温度热电偶表面温度热电偶表面温度测量有两个值得注意的问题，一是表面与周围的换热面积大，热平衡难以建立，测量值并不代表真实温度；二是热电偶与表面的换能面积小，沿热电偶带走的热量大，测不到真实温度。通常指示温度与真实温度存在以下关系式中：T表面-T探头表示表面实际温度与探头测量温度之差；T表面-T环境表示表面实际温度与自然环境温度之差。校正因素z只能通过实验确定。试验与计算表明，探头
52、愈小愈好。为了减小热损失，适当增大热电偶热端与被测表面的接触面积是比较有效的。一般认为，热电极与表面接触长度不少于热电极直径的20倍，才能避免温度梯度产生热损失所造成的测温误差。表面温度热电偶的形式较多，目的都在于力求减小测温误差。2薄膜热电偶薄膜热电偶两个热电极分开两个热电极分开以集热片为热端以集热片为热端集热片借弹簧张力将集热片借弹簧张力将它压在被测表面它压在被测表面采用带状热电极采用带状热电极这是近些年发展起来的微型温度传感器，它可以用真实被膜、化学涂层或电泳等方式制成，也可用粘贴方式作成片状。这种热电偶很小巧，热容量小，故响应速度极快，一般可达微秒级。由于制造方式不同，薄膜热电偶有三种
53、结构。(1)薄膜状采用真空镀膜法在绝缘基片1上，将碲铋等金属镀成热电偶薄层2，再连接引线3。这种热电偶极薄，厚度只有0.0l0.1m，粘贴在被测体上，不会影响被测表面的温度，因而发展极快，应用也最多。(2)针状这是将一种热电极做成针状，除热端外敷以绝缘层，将另一种热电极以真空镀膜方式覆盖在热电极表面上，针状热电极作为支架使用。这种热电偶体积相对大一些，响应速度也较慢，但时间常数仍为毫秒级。(3)片状一般用浸酚醛塑料薄膜作基底，将热电极，如铁康铜，细丝粘在薄膜上构成。热电极作成树状，冷端接出引线，这种热电惯适于测量，热容量稍大，时间常数为毫秒级。3铠装热电偶铠装热电偶不同型式的铠装热电偶见图2-
54、15。热电极、绝缘体及外保护管组合成一体的细长套管式热电偶，热电极作为保护管的芯体，周围填以绝缘材料，滚压制成外径为13mm，壁厚0.10.6mm，长度可达百米的一支单芯热电偶。采用双芯、四芯或六芯可构成l3支热电偶。图b)为接壳型，其响应速度较快，耐压强度高，但不适于有电磁干扰的场合；图c)、e)为绝缘型，其响应速度稍慢，但使用寿命长，抗电磁干扰良好，是应用最多的一种；图d)为裸露型，其热端直接与被测介质接触，响应速度最快，可以用来测量气体温度，但结构强度较差。铠装热电偶的热电极、绝缘体及外保护管是整体结构，纤细小巧，对被测体温度场影响较小。更为突出的是其挠性好，弯曲自如，弯曲半径为套管的直
55、径的两倍，可以安装在难以安装常规热电偶的地方，如密封的热处理罩内或工件箱内。铠装热电偶结构坚实，抗冲击、抗震性能良好。就是随热处理工件一起落入淬火油内，也经得起冲击，在高压及震动场合也能安全使用。铠装热电偶可长可短，可以直接与显示仪表连接，无须用延伸导线。国产的规格如表27。4微型快速热电偶与钢水快速测温微型快速热电偶与钢水快速测温专门用于测量高温液态金属的微型热电偶如图216所示。采用直径0.050.1mm的热电极，作成热电偶装在U型毛细石英管内，热电极冷端与补偿导线相连，并由此引进塑料插座，夹在簧片式插头内，以便由此把热电偶产生的热电动势送到显示仪表。绝缘水泥具有耐高温、热传导率低、热稳定
56、性好、在室温下浇铸成形后无须烘烤和烧结即可固化使用的材料，如磷酸镁-石英，磷酸镁-铝矾土及磷酸镁-刚玉耐火水泥。为了浇铸方便，以纸管作模壳，将致密防火纸管装好，中间用棉花作底托和底垫，即可将绝缘水泥浇注成形，并将石英毛纫管与钢幅固定起来，就成为一支微型热电偶。六、热电偶测温回路六、热电偶测温回路1基本测温回路基本测温回路热电偶测温回路是由热电偶、连接导线及温度显示仪表组成的。基本的热电偶测温回路如图2-17所示。图a)所测量的温度为T1，中间参考温度为T2；图b)所测量的温度为Tl与T2之差，参考温度为T3，都由铜导线将热电偶连接到显示仪表上。当参考温度保持在0时，两个测温回路都可应用于精密测
57、温，如不能保证参考温度为0，就不能简单应用。考虑冷端补偿问题CuCuCu2冷端温度补偿冷端温度补偿(1)延伸导线法用延伸导线代替铜导线如图2-18所示。贵金属热电偶的延伸导线，是采用在0150温度范围内与热电偶具有同样热电特性的普通金属材料制成，只要参考温度在0150范围内，冷端温度的变化就不会影响测温结果。普通金属热电偶用的延伸导线则用与普通金属热电偶相同的材料制成，它不受冷端温度的限制。这里需特别注意，延伸导线只是将热电偶的冷端由温度变化较大的地方延伸到温度变化较小或基本稳定的地方（如仪表控制室)，它并没有温度补偿作用。延伸导线须视热电偶类别采用不同的延伸导线，不能混用，更不能接错它的正负
58、极性。国产热电偶延伸导线见表2-8。(2)补偿电桥法热电偶配用动圈表测量温度时，应采用冷端补偿电桥以补偿热电偶冷端温度变化的影响。热电偶冷端用延伸导线，将t0延伸到t0，如图2-19所示。它安装在仪表室内，就在动圈表附近，与动圈表温度t相同。Rt电桥设计为20时，RtR1R2R3，电桥处于平衡状态，没有附加电势输出，这时的补偿电桥虽然串联在热电回路中，并不影响热电偶的输出电动势E。当仪表室温度偏离20时，由于铜电阻Rt的阻值发生相应变化，电桥的平衡被破坏，输出一附加电动势E0，其值基本上与因温度t变化所降低的热电动势E(t0)相等，因此通过补偿电桥的输出电动势E并不因t0变化而受影响，这样就自
59、动补偿了热电偶冷端变化所造成的偏差。显然，不同的热电偶应配用不同的补偿电桥，国产补偿电桥如表2-9所示。补偿电桥的正负极性不能接错，否则影响极大。采用电子电位差计作热电偶的显示仪表时，由于它的检测桥路中也有冷端温度补偿电阻，只须用延伸导线将热电偶冷端连接到电子电位差计接线端子板上就行了，中间用不着再接入冷端温度补偿电桥。(3)计算补正法当冷端温度变化后(t0变化到t0，热电偶产生的热电势分别为（a）、（b）两式相减既其中E(t，t0)为热电偶实际测得的热电动势，而E(t0，t0)为热电偶冷端温度由t0变化到t0相应的热电势，由热电偶分度表可查出它对应的温度值。tt0t 0例采用K型热电偶测量介
60、质温度，实际测得t820，t32，计算冷端温度补正值。由K型热电偶分度表查得由分度表查得E(t，t0)35.38mV时，相当于849。可见，由于t0由0变化到32时，所测温度较真实温度偏低29。将上式代入（2-26）得计算方法比较麻烦，简单的方法是实际测量热电偶冷端温度或直接以车间平均温度为补正值，误差并不大。如上例可取 (820+32)852 较用计算方法只偏大3是允许的。但此法对于热电特性线性度较差的热电偶不适用。工业上采用补正系数K修正，其值如表2-10。由表中可见，采用K型热电偶，在820时的Kl.00，计算结果相同。但采用S型热电偶，K0.59，应补正的温度只有0.593218.88
61、6。将热电偶的冷端置于冰水融体(0)或0恒温器中，完全避免冷端温度变化。这只有在试验研究室条件下才可行。一般认为，实际冷端温度t0为多少度就补正多少度的说法是不全面的，应按表2-10提供的真值计算。当车间温度变化不大时，也可据此移动动圈温度表的机械零点，以自动消除冷端温度变化带来的影响。(4)冷端冰点法3串联与并联测量回路串联与并联测量回路(1)测量平均温度可以采用多支热电偶测温，并联或串联均可，如图2-2l所示。图a)表示串联N支特性相同的热电偶，安装在不同的部位，适于检测微小的温度变化。产生的热电动势为N支热电偶的热电动势的总和，灵敏度高。平均温度则为总热电动势除以N。串联热电偶易产生短路
62、，不易察觉，这要特别注意。图b)表示并联N支特性相同的热电偶，分别安装在不同的部位，可用以检测平均温度。热电动势E为N支热电偶的热电动势的算术平均值，但不能用来测量温度分布。应当注意两点，一是n支并联热电偶，其电阻值应相等；二是如某支热电偶断路不易被发现，若不及时察觉，会造成极大的误差。(2)测量温度差图2-20c为串联N支热电偶，检测两处或两部分的平均温度差。特点是串联热电偶的信号大，很小的温差也可以测出。N支热电偶的总电势除以N即为实际的温差电动势值。这种回路不能测实际温度，热电偶短路也难发现。4相变临界点的温度测量相变临界点的温度测量两支热电偶中的一支插在标准试件中，另一支插在被测试件中
63、，两相串联，可以测量被测件的相变临界点。5热炉内温度检测点选择热炉内温度检测点选择 热炉内温度的分布并不是均匀一致的，热电偶安装位置，即测温点的选择，在于能尽量真实反映炉内的实际温度。大容积热炉测温点的选择更要注意。小容积箱式热炉，热电偶应布置在炉内上方，其热端尽可能靠近加热工件或工件框，以不影响操作为宜。小容积井式炉一般有二或三个加热区，每区布置一个测温点，而以中部靠近料框那支为控温点比较好。大容积热炉有多个加热段，因而温度分布不均匀现象更为严重。虽然热炉在设计制造时充分考虑了温度分布的不均匀性，并提出了测温位置，但还应该结合炉子结构及料框等特点综合考虑，才能测得反映热工工艺的温度的适合位置
64、。+考虑到温度不均匀，在各测量点的温度值与控温设定值必然有差别(称为不均匀度)。只要能保证在一定范围内还是允许的，对温度不均匀度的要求，对不同材料、不同炉型或不同作业方式有所不同，不应苛求，更不能一概而论，但均以满足热工工艺要求为准。必要时应通过实测确定。周期作业炉测温点一般按炉子直径与高度确定，井式炉与箱式炉也有区别，如图2-21所示。图中阿拉伯数字是热电偶布置的支数与测点位置，各点所测温度相差值均应在上述要求范围以内。连续作业热炉中的工件是运动的，热电偶可以装在料盘或料框内，其布置如图2-22。图中L为有效加热带长度，b为有效加热带宽度；L为料盘或料框长度。如料盘或料框不能装配热电偶，也可
65、按周期作业炉布置测温点。不同热炉的有效加热带不同，可参阅技术说明书，结合热工工艺要求而定。七、热电偶的工业检定七、热电偶的工业检定热电偶名义上是经标定合格出厂的，但并非每支热电偶都经过校验，因此，使用前最好进行检定，特别是重要的实验，更是如此。使用一段时间后，超出允差，也应进行检定。检定方法有定点检定与比较检定两类。这里只概要介绍比较检定法，这是使用部门容易进行的一种方法。以二等标准铂铑10-铂热电偶检定工业用铂铑热电偶，以工业三等标准铂铑热电偶或镍铬-镍硅热电偶检定工业用普通热电偶。不同热电偶的检定点分别为铂铑30-铂铑61000120014001554()铂铑10-铂60080010001
66、200()镍铬-镍硅4006008001000()镍铬-考铜300400(500)600()就是说，只要分别在这几个检定点与标准热电偶进行比较就行了。重要的试验，则应每隔100进行检定。被检定的热电偶的测温误差在允差以内即可继续使用。如超过允差，贵金属热电偶可以进行仔细的热清洗、酸洗、水洗、烘干后退火。所谓热清洗是将铂铑热电极伸张在专用架上，通电加烧到约l000，夹一颗硼砂熔入铂铑丝，让其沿丝自然流下。工业用普通金属热电偶超出允差后，通常舍去不用，必要时也可先进行退火处理后进行检定。1微差法微差法检定是在专门的管式检定炉中进行的。管式炉必须有足够长的等温段，标准及被检验的热电偶必须是同一类型，
67、用铂丝或镍铬丝捆扎在一起，放入等温段内的等温体镍铬合金块中，炉温恒定在检定温度5时进行测量，先测标准热电偶，再测被检热电偶l、2的反向串联热电动势差，每次测量读数不少于2次。微差法检定，计算偏差EEE十C式中E标准热电偶与被检热电偶反向串联在检定点读数的平均电动势差；C标准热电偶在该检定温度下的修正值(在标准热电偶检定证书上给出。见书中p45例)。2比较法比较法(双极法双极法)标准热电偶与被检热电偶可以是不同类型。把它们的热端放在等温块内，在检定点恒温，温度变化小于0.2，按：标准热电偶被校1被检2，每个检定点按此次序正反方向测量不少于两次，求平均值。核定系统如图223所示。被测热电偶的分度偏
68、差E，按下式计算EE-(E十C)式中E被检热电偶在检定点读数平均值；E标准热电偶在检定点读数平均电动势值；C修正值，在检定点标准热电偶在分度表上的电动势值E0与检定书上的电动势值E0之差，即C E0E0。八、热电偶测温系统的误差分配八、热电偶测温系统的误差分配热电偶在正确安装和使用条件下，测温误差来源有三个方面：热电偶基本误差，冷端温度变化误差及配用显示控制仪表的误差。这些误差是制定热处理温度的依据，虽然它们具有随机性，但可按其允许误差计算。这里讨论的方法，原则上都适用于其它参量检测。(1)热电偶的分度误差这是因为热电偶是按产品批量统一分度的，不可避免存在误差。一般可按其允许误差从表25中查得
69、。(2)热电偶冷端温度补偿误差工业应用中不可能将冷端保持在0，就是在实验室条件下也可能有波动。用延伸导线，基本误差由表28中查得。采用冷端温度补偿电桥，由表29中查得。(3)显示仪表误差无论是动圈表或自动平衡仪表，都因仪表的等级与测量范围不同，产生误差，可从表211中查出。热电偶测温回路热电偶测温回路CuCuCu冷端温度补偿主要方法有三种冷端温度补偿主要方法有三种-电桥补偿、计算补正法和冷端冰点法检定热电偶常用方法检定热电偶常用方法微差法-同质电偶反向串联EE十C比较法-可以不同质热电偶比较EE-(E十C)延伸导线法延伸导线法-只是将热电偶的冷端由温度变化较大的地方延伸到温度变化较小或基本稳定
70、的地方，它并没有温度补偿作用23 热热 电电 阻阻金属材料一般具有正温度系数，即随着温度的升高，金属导体的电阻增大，因此可选用测定金属导体的电阻变化的仪表，用来测定导体所感受的温度，这就是电阻温度计。制作电阻温度计的材料，应具有以下条件，即温度系数较高，电阻温度关系线性良好，材料的化学与物理性能稳定，容易提纯且复制与机械加工性能好等。目前能满足上述要求的，并且应用最广的有铜丝、铂丝电阻，也有用镍丝的。电阻温度计结构如图224所示。一、铜电阻一、铜电阻铜容易加工提纯，拉丝也容易，是应用最早最多的一种。由于铜易受氧化，故只宜在-50+100范围内使用，最高不得超过150。铜电阻一般是在直径6mm、
71、长40mm的塑料或胶木骨架上，用直径0.1mm、长26.6mm的漆包线或丝包线绕成。在-50150范围内，铜电阻与温度的关系是线性的，即RtR0(1十t)式中为铜电阻温度系数，4.254.2810-2我国生产的铜电阻的起始电阻有两种，即分度号为Cu50，R0500.05；分度号为Cul00，R01000.10。在此温度范围内，铜电阻的基本误差为：t(0.3十610-3t)两种铜电阻分度表见附录二。国产铜电阻为WZC型，外保护管为黄铜(H62)，炭素钢(20)或不锈钢1Cr18Ni9Ti，直径1216mm。时间常数30180s。铜电阻的电阻值允许误差为0.1R0，电阻比Rl00R01.42800
72、.002。铜电阻的量程范围为-50150，测温允许误差为(0.30+6.0l0-3t)。热电阻的最小插入深度一般不应小于保护管外径的810倍。二、铂电阻二、铂电阻铂丝纯度高，化学与物理性能稳定，电阻与温度线性关系良好，电阻率高，复制与加工性能好，长时间稳定的复现性可达l0-4K，是最好的热电阻材料。还有测温范围广，可低到-270，高到1200，因而应用最广。铂丝纯度以电阻比R100R0表示，即在100时的电阻与0时的电阻比值愈高，意味着纯度也愈高。目前电阻比W(100)已高达1.3930，铂的纯度己达到99.9995。工业纯铂的W(100)为1.3871.3910。铂丝直径一般为0.050.0
73、7mm，长约200mm，绕在云母或石英骨架上。骨架应具有耐高温，温度膨胀系数小，和机械性能及绝缘性能优良，骨架形式一般为板状，标准铂电阻为十字架状等如图2-25所示。铂电阻的R0有46与100两种，电阻允许误差为0.1R0，当电阻比R100R01.3910时，电阻比的允许误差为0.0010。铂电阻的型号为WZB，量程为0十500时，允许误差为(0.30十4.510-3t)；量程为-2000时，允许误差为(0.30十6.010-3t)。铂电阻与温度的关系为：则在温度为t时的电阻Rt为：式中C为常数，T为热力学温度；为电阻温度系数。如起始温度为t0，则t0时的电阻R0为：由此式得将上式右边展开为幂
74、级数，取至第三项得铂电阻在0630.64范围内的关系式为：式中A，B，C三个常数，是在水三相点，水沸点及锌凝固点分别测定电阻值R0.01，R100，R412.58，联立三个方程求解而得。我国生产的铂电阻型号为WZB，其型号与特性如表2-12。铂电阻的W(100)1.39100.0010，有 两 种 起 始 电 阻 ， 即 分 度 号 Pt50： R0460.046，分度号Pt100：R0100十0.10。其分度表见附录二。以前用过分度号BA1，BA2或Bl，B2，不同的是W(100)1.389，初始值虽然仍为46及100两种，但分度表不同，不能混用，这点要注意。三、热敏电阻三、热敏电阻半导体热
75、敏电阻具有较高的电阻温度系数，电阻大，电阻可作成粒状、针状、片状，作成的测温元件小，热惯性小，响应速度快，适于测量表面温度，点温及瞬变温度。由于半导体热敏电阻复制性及互换性很差，线性度也不好，长期以来在温度测量中尚未得到广泛应用。经过多年研究，采取串、并联电阻的办法线性化的问题已经解决。加上它的独特的优点，现在应用逐渐多起来了。半导体热敏电阻是由不同氧化物混合烧结而成的，常用的有CuO+MnO，MgO+TiO2，CuO十TiO2，MnO十Mn2O3十CrO3等混合物。半导体热敏电阻的电阻Rt与温度T的关系为式中R0为在室温T0时的电阻值；B为决定于材料特性的常数。通常取20电阻为R20，称为额
76、定电阻，取100时电阻R100，即T0293.15K，T373.l5K，于是由此可以作出参数B与电阻比R20R100的关系曲线；如图226。如己知热敏电阻R0=965103R10027.6103则R20R10096527.635由图227可见，当R20R10035时，B4850K。将R0及B值代入式(2-29)则得此热敏电阻的温度特性数值方程为：可见热敏电阻的R0及R100，是选择相同特性的热敏电阻的根据，由于每个热敏电阻的R0及R100都不同，故必须对每个热敏电阻进行标定后才能使用。国产热敏电阻及特性如表2-13。除常规的粒状、针状热敏电阻外，还可按需要作成不同的小热敏电阻，如薄膜、厚膜或线
77、状热敏电阻等。虽然复现性、互换性不好，但成本低，体积小，响应快，故越来越多地为人们所乐于采用。四、热电阻的测量桥路四、热电阻的测量桥路热电阻的测量桥路采用直流或交流电桥均可。一般的测量采用惠斯登电桥也能满足要求，只有在精密测试中，才采用四线制直流电桥。电桥由四个桥臂电阻构成，其中一个桥臂为热电阻，即成为二线制惠斯登电桥。如图227a所示，移动滑线电阻RD，检流计指针指零，表示电桥平衡。平衡状态下：平衡状态下：IA RA-IBRB0ItRt-IDRD 0IA IB It ID由于RARB一定，故移动RD的电阻值不断平衡，可以RD电阻刻度或温度刻度读取温度变化。电桥本身是安装在仪表室内的，而热电阻
78、Rt是装在被测对象中，距仪表室有一定的距离，两根导线电阻Ra及Rb在一个桥臂内，铜导线电阻受温度影响较大，即在热电阻没有任何变化时，由于导线电阻变化检流计也有读数，平衡电阻RD必须相应移动，检流计G才能达平衡。这时，在标尺上的读数显然是错误的。采用图b)的三线制连接法，即卡仑达尔电桥，由图可见导线电阻Ra及Rb分别在相邻桥臂RA及RD中，另一导线电阻接到导线的输出端。如果RARD，则环境温度变化及电阻自身发热引起导线电阻Ra及Rb的变化基本相等，对电桥平衡影响极小。工业生产及科研试验都应该采用三线制接法。平衡状态下，考虑平衡状态下，考虑Ra、 Rc和和RbRt+ Rc （RA+ Ra）RD/R
79、B注意：平衡时注意：平衡时Ib 0图c)为四线制接法，即所谓莫勤电桥。它能完全消除环境温度的影响。电桥分两步测量，先将开关转到a、b如图中所示位置，移动沿线电阻得RDl，达到平衡。这时RDl+RbRt+Ra；将开关使a与b交换，c与d交换，移动滑线电阻得RD2，达到平衡。这时RD2+RaRt+Rb，两式相加，即得Rt(RD1十RD2)2可见，导线电阻变化及桥臂电阻自身发热变化的影响都消除了。在热电阻检定中需要精密测量电阻值时，必须采用此法。24 光电温度传感器光电温度传感器一、辐射测温的物理基础一、辐射测温的物理基础 远在1860年，克希霍夫就定义了黑体是一个能完全吸收辐射能量，即既不透过也不
80、反射辐射能量的表面。并且指出，密闭锥形空腔，其长度为直径的58倍时，经过空腔小孔的辐射极近似于黑体。黑体辐射是光电温度传感器的理论基础。黑体的辐射能力决定于温度和波长。1896年维恩(W.Wien)提出了黑体辐射光谱的能量分布方程。1900年普朗克（M.Plank）提出了著名的P1ank方程，辐射测温的根据是物体在任一温度下的热辐射强度按波长分布的规律。对于一个黑体(完全辐射体)其分布规律由普朗克公式表示：式中M为光谱辐射出射度。辐射出射度的极大值随波长减短而增大。M也称为黑体的辐射强度，它的物理意义是黑体在温度为T时单位面积、单位波长上辐射的能量，它是波长和温度T的函数。在近似的情况下，黑体
81、辐射可以用维恩公式表示：将维恩公式积分为求得积分，引入新变量：则将常数项整理替换，得：上式表明，黑体在整个波长范围内的辐射能量与温度的四次方成比例，是温度的单一函数，即斯特藩玻耳兹曼公式。令普朗克公式中的波长为常数，则这就是说，黑体在特定波长上的辐射强度是温度的单一函数。取两个不同波长1与2，利用维恩公式，求两个特定波长上的辐射强度之比：那么两个特定波长上的辐射强度之比(T)也仍然是温度的单一函数。人们只要想尽一切办法，获得F(T)，或f(T)，或(T)的值(或相关值)，就可求得对应的温度。因此，普朗克公式和维恩公式是辐射测温法的基本依据。应该强调指出：普朗克公式和维恩公式是对黑体而言的。实际
82、上真正的黑体是不存在的，客观存在的物体都是所谓“灰体”(不完全辐射体)，对于灰体，可以对普朗克公式和维恩公式予以修正：上两式中的(，T)称为灰体的单色“黑度系数”(又称单色辐射吸收系数)，它是灰体的辐射强度与同温度下黑体辐射强度的比值，其值小于1而大于0，视不同材料、不同的表面状况而定。(，T)也是波长和温度的函数。目前辅射式测温仪表都是假定以黑体为测量对象而刻度的，所以测量一般物体(灰体)时，仪表示值与物体真实温度必然有误差。物体的真实温度必须用它的黑度系数单色黑度系数(，T)或全辐射黑度T予以校正。根据上述推导，辐射测温有如下三种基本方法：(1)全辐射法测温测量出物体在整个波长范围内的辐射
83、能量F(T)并以其全辐射黑度系数校正后确定物体的温度。这种方法的优点是接受的辆射能量最大，有利于提高仪表的灵敏度。缺点是容易受环境的干扰。典型的仪表是WFT202型全辐射高温计。(2)亮度法测温测量出物体在某一波长上的辐射强度f(T)并以其单色黑度系数(，T)校正后确定物体的温度。显然，它接受的辐射能量小很多，但它抗环境干扰的能力较强。典型的仪表是各种光学高温计和光电高温计。(3)比色法测温测量出物体在两个相邻波长上辐射强度的比值(T)，并经其单色黑度系数1(，T)2(，T)校正后确定物体的温度，典型的仪表是光电比色温度计。二、全辐射测温法二、全辐射测温法1.全辐射高温计全辐射高温计这是通过测
84、量辐射体全波辐射能量的方法来测量温度。常用于9001800的高温，还可用于600以下的低温或常温。将光谱辐射出射度在整个波长（频率）进行积分即得单位面积全波辐射能通量。称为四次方定律。辐射温度传感器是由光学系统及接收器所组成，如图230。光学系统起聚光作用，透射式及反射式均可。用于7001000温度范围内，透镜用普通光学玻璃；用于4001200的用石英玻璃；用于400以下的，用红外透射玻璃如晶体石英；用于常温50左有的应用氯化钠晶体，温度更低，应用透射红外波长更长的透射材料。热电阻热电阻材料条件，即温度系数较高，电阻温度关系线性良好，材料的化学与物理性能稳定，容易提纯且复制与机械加工性能好等。
85、铜电阻铜电阻WZC-50+100，不得超过150。铂电阻铂电阻 WZB -2701200热敏电阻热敏电阻 半导体材料，具有较高的、负的电阻温度系数，电阻大。光电温度传感器光电温度传感器黑体黑体是一个能完全吸收辐射能量，即既不透过也不反射辐射能量的表面，实际上黑体是不存在的，实际物体是灰体，在使用光电温度传感器时要考虑其修正系数：(，T)。黑体在整个波长范围内的辐射能量与温度的四次方成比例，是温度的单一函数，即斯特藩-玻耳兹曼公式。黑体在特定波长上的辐射强度是温度的单一函数两个特定波长上的辐射强度之比(T)也仍然是温度的单一函数 接收器的种类很多，无波长选择性的是热电堆，它是812支热电偶或更多
86、支热电偶串联而成，如图2-30b，热端汇集到中心一点，输出热电势为n支热电偶输出电动势之和。辐射温度计的二次仪表可用电位差计或毫伏计，使用后者应按标尺上面规定的外接电阻配好才能正确指示温度。全辐射温度显示器是按绝对黑体分度的，它测定的是辐射温度。实际物体不是黑体，因此物体的实际温度T与物体的辐射温度TT有以下关系由此可得式中，T为物体全辐射黑度系数。由于Tl，故所测定的TTT。应按物体的T值进行修正。表214也列有各种村料的全波辐射发射率（黑度系数），基于上述相同理由，要慎重采用。由于大气吸收，光学玻璃的吸收以及敏感元件的光谱特性，不可能有全波辐射，这是应加以说明的。国产全辐射高温计WFT型为
87、透镜式，热接收器采用热电堆，灵敏度较高，适应性较广。其测温范围为4001200与7002000，测量距离L20D，即距离系数LD20，正常测量距离为12m。仪表基本误差在1000时为16，10002000之间为20；响应较快，一般情况下响应时间6s。另一种WFF型为反射式辐射温度计，它不用透镜，热能的接收效率较高，可以用于较低范围的温度测量，在1001100使用时，基本误差为80；在0800范围使用时，基本误差为12，距离系数LD8，适于较小目标的温度测量，正常测量距离为0.51.5m。采用石英透镜的全辐射温度计，工作温度可用在400左右。2全辐射高温计在热工工艺过程中的应用全辐射高温计在热工
88、工艺过程中的应用全辐射高温计的特点是自动测量温度，其输出为电量，适于远传和自动控制，是在线温度检测常用的一次仪表，在热工工艺过程中也常应用。三、光学高温计与光电高温计早在1892年HLechatelie最先制成了实用的光学高温计。他以油灯为参考光源，红色滤光器限制波长范围，利用光阑实现被测物体与参考光源的亮度匹配。这个设计虽然古老，但其原理和系统方案，至今的光学高温计仍然应用着，只是光学系统及测量手段己大大提高了。1927年，第一个国际温标采用标准光学计传递金点(1064.43)以上的温度。1.光学高温计由于物体的辐射温度随温度升高而增加很快，以0.66m的红色光而言，当温度上升到1500K时
89、，辐射能量增加了两倍多，就是说温度有变化，辐射出射度会显著增大，用此法测温，灵敏度很高。辐射温度既然和温度与波长有关，即Mf(，T)如果选一定波长，如0.65m，则M0f(T) 这是光学高温计的设计原理。常用的WGC型灯丝隐灭式光学高温计的原理结构如图229。它是由光学望远镜系统、温度灯泡(也称标准灯泡)及测量线路组成。已标定辐射温度的灯丝(改变加热电源以调节标准灯泡的灯丝亮度)为比较标准，利用光学望远镜，将被测体的辐射平面移到灯泡灯丝的平面上互相比较，改变滑线电阻以增减灯丝的加热电流，灯丝亮度发生变化，当灯丝亮度与被测物体的亮度相当时，灯丝即分辨不出，这时灯丝的亮度就是被测体的亮度。灯丝亮度
90、与温度的关系已知，指针在标尺上指示的就是被测体的亮度温度。亮度相当也称为亮度匹配，它应在0.66m的条件下进行。红色滤光片切入光路时，眼睛所看到并进行比较的就是红色光；如红色滤光片未切入光路，比较的不是红色光，结果是错误的，这点需特别注意。光学高温计所用标准灯泡的安全加热温度为1450，为了扩大量程，迎常采用灰玻璃吸收方法，将被测物体的辐射能量减弱，只要吸收玻璃的减弱系数已知，例如减弱系数为0.5，接入此吸收玻璃后，则高温计的量程扩大一倍，若接入更大减弱系数的吸收玻璃，则量程更加扩大。由于光学高温计具有望远镜系统，被测体与灯丝在同一个观察面上进行比较，不受距离的影响，因此理论上光学高温计没有测
91、量上限，也不受距离的限制。实际上由于空气中有灰尘、水汽等，对辐射强度减弱较大，故一般以在8m距离以内使用为宜。光学高温计是按绝对黑体的辐射强度分度温度标尺的，称为亮度温度。实际物体均非黑体，因此受被测体发射率的影响。实际物体的亮度温度TL与绝对黑体的温度T0之间存以下关系由上式可见，只有当1时，T0TL。实际物体的l，故TLT0，即光学高温计所测的物体温度较实际温度低一些。如果准确知道被测物体的，则可由上式计算修正，表214为不同材料的单色以及全波辐射T，由于不但决定于材料，特别与它的表面状态及所在空间的位置有关，并且发射率还与温度有关，各种资料介绍的数据也有出入，因此很难据此以准确确定发射率
92、，故表中提供的1，只供参考，要针对实际情况慎重选用。国产工业用光学高温计型号与特性如表215。2.光电高温计光学高温计是手动操作，有经验的操作人员，比较亮度带来的误差为2，一般操作水平至少有4的误差。稍不注意，误差可达10，故手动操作是其缺点。将标准灯泡改为光电元件作成的光电高温计，量程较宽，精度较高，可进行自动检测。但因光电元件互换性差，测量电路也较复杂，使用仍受到限制。人的眼睛只能感受可见光，而Si光电池，PbS光敏电阻等敏感元件则主要对08m以上的红外光及远红外光敏感，使用这些元件后，不仅可以使量程向下限大大扩展，反应速度大大提高，灵敏度提高许多倍，而且可以实现仪表的自动化。例如，用Pb
93、S光敏电阻或Si光电池作敏感元件的WDH型光电高温计，从原理上讲就是隐丝式光学高温计的自动化。下面我们以这种光电高温计为例，简要说明它们的基本结构和工作原理。主要增加了以下内容：（1）光敏元件，Si光电池，PbS光敏电阻等；（2）变送器，接收被测对象辐射强度并与标准灯比较，产生信号差值；（3）调制器，将光敏元件的信号调制成高频率交变信号；（4）相位同步信号发生器，与调制器信号同步；（5）显示仪表；四、红外幅射测温法四、红外幅射测温法 红外辐射波长较长，0.8400m，就温度的测量而言，在0时的最大辐射波长为m10m，应用氟化钙晶体作透镜是可以的，热压多晶体，如热压硫化锌最大透射限14m，热压氟
94、化锂6.5m，热压氟化钙8m，热压氟化镧12m等。红外辐射接收器最普通的是热电堆，集成200支热电偶，灵敏度相当高，如Bi-Sb，Bi-Ag及Be-Te等蒸镀涂层的热电堆，响应时间只有 l0-7s，甚至10-9s。其它红外接收器则都只能在一定范围的波长内使用。锗或硅光敏二极管，敏感波长限为0.81.5m，在室温下使用响应很快，价格也很低，在可见光及近红外都可以使用。锑化铟光伏管，敏感波长2.17.5m，响应时间ls。硫化铅薄膜光敏电阻，敏感波长34.5m，响应时间300400s。薄膜碘化铅光敏电阻，敏感波长3.44.5m，响应时间2s、单晶硫化铅光敏电阻，敏感波长3.8m，响应时间ls，单晶锑
95、化銦光导管，敏感波长10.3m，响应时间6s。最新的热释电敏感元件，它是自发激化和介电常数随温度变化的热释电晶体作成的。四、光导纤维测温法四、光导纤维测温法光纤可以作为数据传输的介质，也可以作成各种传感器，或者兼有这两种功能。对电磁噪声大，不宜采用电信号的场合下，光纤传感器显得格外有效。光纤用作温度传感器的方式较多，这里只讲两种方式，简要介绍如下。1辐射光纤温度传感器辐射光纤温度传感器物质被加热后，辐射的热量决定于被加热材料的温度与黑度系数，并与所检测的光谱范围有关。普通通讯光纤是用高纯玻璃制成，在中红外区域于100l000范围内热辐射量大，由于热损耗，它的辐射系数低一些。石英玻璃光纤透射4m
96、左右的红外光时，在1001000范围内，光纤的一端能检测较室温稍高的热辐射。光纤检测到的光谱成分主要决定于光纤所处的最高温度点，基本上与热区长度无关。显然，如果热点不知道，也可按此原理检测热点的位置。2光纤温度结构型传感器光纤温度结构型传感器装在光纤中部的半导体(CdTe，GaAs)为温度敏感元件，以发光二极管为向光纤传送光能的光源。由于半导体能量带随温度升高而减少，反映为半导体透射光强度降低。在光纤另一端的光接收器所接收的光能量减弱，反映了温度的变化。光纤温度传感器的形式显多，大都属于上述两种类型。此外以光纤接收辐射光并传输光信号的光电高温计，原则上与光辐射测温原理相同，只是光接收与传输方式
97、不同而已。本本 章章 小小 结结温度传感器是检测温度的基本元件，它与被测介质相接触的称为接触式温度传感器，这是应用最多最广泛的一种。热工过程中用的最多的是热电偶，共次是热电阻。热电偶是用两种不同的金属或非金属导体作成的。它有两个接点，热电偶产生的热电势是两个接点温度的函数，因此只有将冷接点(冷端)的温度保持不变或为0时，热电势才是热接点(热端)温度的单值函数。这是使用热电偶必须遵守的基本原则。热电偶种类很多，最常用的是镍铬-镍硅、铂铑-铂及双铂铑热电偶，镍铬-康铜热电偶应用也较广。钨铼热电偶应用于高温检测，愈来愈受到重视，使用也日多。非金属热电偶及半导体热电偶，虽然应用不多，但还在不断研究发展
98、中。薄膜热电偶发展极快，应用也日广。为了补偿热电偶冷端温度的影响，最简便的方法是采用延伸导线，也可采用补偿电桥。须知不同热电偶所用的延伸导线与补偿电桥不同，切不能混用或接错极性。不接触测量应用较多也较准确的是光学高温计。它是手动操作，人眼观察分辨的水平相差较多，因而引入的人为误差不可忽略。但只要操作使用得法，它们是目前用作技术监督的有效手段。红外温度计随着半导体材料的发展，也迅速发展起来。采用选择辐射的红外温度计，分辨率高，一般可达0.01，优越的可达0.001，响应快，使用方便，是大有希望的一种辐射温度计。不接触测温最麻烦最不可靠的是被测物体辐射率的修正，资料上介绍有一些不同物体不同条件下的
99、辐射系数，但不能随便引用，原因是物体的辐射率很大程度上决定于材料的表面状态及所在空间位置，是一个很难确定的参数。人们正在研究发展自动修正辐射率的温度计。比较而言，接触法测温中以铂电阻较为准确可靠，不接触法测温以光学高温计较为准确可靠。温度计选用的根据是测温高限与量程范围，并视具体工作条件而定。复习思考题复习思考题1何谓温标?实现温标应有哪三个基本条件?2目前我国实用的是什么温标？它有何特点？3热电偶是如何工作的？为什么要保持冷端温度一定?4补偿热电偶冷端温度变化的方法有哪些?为什么?5热电阻是采用电桥进行温度测量的，说明二线制与三线制有何优缺点。6不接触测温有哪些方法？比较说明它们的优缺点。7
100、用铂佬铂热电偶测温，其分度表是在冷端温度为0。C时计算的，现用来测量电势是9.558mv，这时的冷端温度为35。c，试计算介质的真实温度。8辐射测温法有何优点?比较说明光学高温计及全辐射高温计的优缺点。9物体的发射率影响辐射式高温计的测量准确性，有何实用方法将其影响减到最小?10红外辐射温度计有何优点？11光学高温计是如何使用的？为什么要接入红玻璃？如果能确切知道被测物体的辐射频率，光学高温计计所测温度是否可靠?第三章第三章 温度显示与记录仪表温度显示与记录仪表31 概概 述述温度显示与记录仪表一般分为模拟与数字仪表两大类。模拟仪表又可分为两类，一是磁电式动圈表，如轴承式和张丝式；二是自动平衡
101、仪表，如电子电位差计、电子平衡电桥。强力矩电机带动的指针式仪表则属于自动平衡仪表类。机械式自动毫伏计与机械式自动平衡仪表已经被淘汰，目前普遍应用的是电子自动平衡仪表。动圈表或强力矩电机带动的指针式仪表，与热电偶或热电阻(也可与其它传感器如压力或湿度等)配用时，通常称为温度表。它有面板式及台式之分，前者适于装在控制台或控制屏上，后者便于携带和在实验室应用。动圈表精度一般为1.02.5级，精密测量应用0.2级表。动圈表与自动平衡仪表均可以带有位式控制器或电阻(电压)发讯装置以配合PID控制器或仪表本身就带有PID控制器。仪表标尺配热电偶的为温度或毫伏刻度，配热电阻的为温度刻度。数字显示记录仪直接显
102、示数字，显明直观，有显示与显示记录两种，可以配任何传感器，只要传感器的输出信号是电量或转换成电量即可。并带有数字接口以便与打印机或计算机连机应用。温度变送器在于将温度信号转换成统一的电信号，便于自动显示和自动控制，在温度远传与温度控制系统中是必不可少的。32 动圈表动圈表一、工作原理一、工作原理动圈表是一种普通的磁电式电压表，其测量机构是位于永磁场两极靴内的动圈，配以平衡扭矩的游丝或张丝而成如图31。它可与不同传感器所要求的检测桥路配合，构成适于各种参量的显示或显示控制仪表。张丝用来张紧动圈并由它输入待测信号，也是平衡动圈扭矩的元件如图a)。如将动圈加上轴心并承支在蓝宝石轴承座上，则为轴尖式动
103、圈表如图b)。张丝式动圈表的精度比轴尖式动圈表的精度高些，应用也较多。被检测电流流过动圈时产生电磁场，与永磁场相互作用，使动圈受到大小相等而方向相反的作用力FNBlI式中N动圈的匝数；B永磁铁的磁感应强度；l动圈有效边长；I流过动圈的电流。动圈产生旋转力矩式中b动圈的平均宽度，A动圈的有效面积；为了使动圈在任何等于零，特将永磁铁极靴与铁心作成同心圆状，这样，仪表标尺的刻度是均匀的，则旋转力矩可表示为M=NBAI=KI旋转力矩使动圈产生一比例于电流的偏转角，必须在动圈上加一个平衡力矩的张丝或游丝其弹性反作用力短为M=k式中k为弹性刚度系数，决定于张丝或游丝的几何尺寸、材质与张力大小。当MM时可得
104、：式中，Si是动圈表的敏感系数，对于一个仪表，Si是常数，既：动圈表的转角，取决于动圈电流，国产动圈表的型普系列如表31。二、测量线路二、测量线路1配热电偶的测量线路配热电偶的测量线路配合热电偶的动圈表为XCZ型，其测量电路如图3-2所示。它是由三部分组成的，即热电偶1，延伸导线2及外接电阻3，以及动圈表4。延伸导线起延伸热电偶冷端的作用，外接电阻是配合动圈表本身要求的线路电阻，动圈表的额定外按电阻R外有5及15两种，仪表标尺上的示值是在额定R外下标定的。Rk补偿电阻补偿电阻RTRBRsRGRlRl4动圈电阻动圈电阻调整电阻调整电阻使用时，线路总电阻必须配加到R外值。如线路电阻太大，就只有减小
105、动圈表内串联电阻Rs，直到符合所要求的总电阻值为止。须知，动圈表的总电阻RR内+R外，其中R内包括动圈电阻RG、串联电阻Rs及补偿电阻Rk，即R内RGRkRs。这时流过动圈的电流只与热电偶产生的电动势Et有关：可见，如果R外不符合仪表要求，必然带来较大的误差，温度补偿Rk是由热敏电阻RT及并联电阻RB构成的。即RkRBRT/(RB+RT) 这种方法只能在20及50两点间得到，因此温度补偿是近似线性的。 采用铂铑热电偶时，由于铂及铂铑合金丝的电阻温度系数较大，只应在测量温度值附近配好，否则误差较大。例如，一支1m长的铂铑-铂热电偶，在20时的电阻为l，插入介质0.5m深、测量温度为1300时达5
106、左右，热电偶内阻变化引起仪表的误差可达2。因此，配用铂铑热电偶的动圈表其外电阻R外应在所测量的温度值下配准电阻值。2配热电阻的测量线路配热电阻的测量线路热电阻是利用不平衡电桥检测的，故配合热电阻的测量线路包括电源、电桥及动圈表三部分组成，如图3-3。其中Rt是热电阻在温度为t时的电阻值。R0为热电阻在仪表起始刻度温度时(0或20)的电阻值，Rl1Rl2Rl3是由热电阻连到电桥的三根导线的电阻。当RtR0时，电桥平衡，电桥AB两端没有电流流动。Rt随温度而变时，电桥AB两端输出不平衡电流，流过动圈而指示温度。动圈表测量线路中Rt的作用同前。采用三根导线的原因在于消除导线受环境温度变化的影响，假如
107、没有Rl3，直流电流一端直接接桥路D点，则Rl1及Rl2均在桥臂电阻R0一端，即使Rt没有变化，在导线周围的环境温度变化时Rl1及Rl2都发生变化，引起桥路不平衡，显然是不正确的，将电源负端接到D，增加一根Rl3,则Rl2归入桥臂R2,而Rl1归入桥臂R0一侧，这样，环境温度变化引起Rl1与Rl2的变化基本上被消除，不影响测量结果。配热电偶的测量线路配热电偶的测量线路配热电阻的测量线路配热电阻的测量线路三、动圈表的使用与量程调整三、动圈表的使用与量程调整动圈表的量程是仪表厂出厂时按所配传感器及其量程范围标定好的，电路未经调整，量程不能更改，也不能使用不同于仪表标尺上注明的其它传感器。（略）33
108、 自动平衡仪表自动平衡仪表 自动电子电位差计及自动电子电桥是最常用的通用自动平衡仪表。这种仪表可以附带位式或PID调节机构，使用十分方便。自动平衡仪表的型谱系列如表32。一、电子电位差计一、电子电位差计电子电位差计由检测桥路，电子放大器及平衡机构三部分组成的闭环测量电路，如图35。被测电动势Ex经检测桥路后的不平衡直流信号E，经变流级转变成交变信号E，经电压及功率放大后推动可逆电机，带动检测桥路中的平衡电位器沿触点，自动将未知电动势Ex检测出来。电子电位差计的电子放大器，过去采用电子管及晶体管电路，现已采用集成放大电路，大大提高了仪表的可靠性。(一)检测桥路1电位差计工作原理ExEsRpEs
109、（Upa）电位差计是以已知的标准电动势值Es去平衡待测电动势Ex，其中的关键是Es的产生及电位差检测桥路。采用精度高的稳压电源，配以适合的滑线电阻Rp，限流电阻Rc，检流计G可构成一个最简单的电位差计，如图3-6。因为Rp的电阻值是稳定的，当改变限流电阻调整好回路中的电流I时，在Rp上产生的电压降:UpIRp移动Rp的滑触点到不同位置，可以获得不同的标准电动势值Es，在电位计标尺上直接以电动势值刻度。待测信号Ex接入后，由于EsEx，回路有电流流动，检流计G的指针向一方偏转，改变Rp的滑触点例如到a，这时:IRpaEx检流计指针指零，这时在电位计标尺上指示出IRpa的值，它就是Ex值。采用标准
110、电池作参考电源的电位差计，精度可以作得高一些。但标准电池的容量有限，它不能直接用作比较桥路的电源以避免长期耗电损耗，故其测量桥路要复杂一些。图3-7为采用标准电池的电位差计原理电路，各种手动电位差计多是基于此原理制作的。当开关s倒向1接通“标化”回路当开关s倒向2接通“测量”回路工作电流的标化，在于保证在滑线电位器Rp上产生的电压是标准值。待测电动势Ex与在Rp上形成的己知电压Up进行比较，当Up与Ex不相等时，检流计G的指针偏转，移动Rp的滑触点，例如移到a时，检流计指针指零，此时，标尺上读出的电动值就是待测电动势Ex。2手动电位差计手动电位差计手动电位差计的特点是测量精度高，重要的试验研究
111、与动圈表或电子电位差计的调校，以及热电偶的校验，都要采用手动电位差计。电位差计种类较多，有交流和直流电位差计两种，前者用来测定交流电动势，后者用来测定直流电动势。UJ-36携带式直流电位差计是最常用的一种低阻电位差计，它的结构简单，精度也不低，其原理电路如图3-8。它以干电池作工作电源，标准电池作为标化时的标准电势。由步进电阻R1(由10个电阻串联分接而成)、滑线电阻R2、带放大器的检流计G、选择开关S1、倍率开关S2、接线柱(待测电势Ex)、内存的工作电池(干电池)Eb、标准电池EG及放大器电源(9V)所组成。313标定工作电流的开关S都能连续接通EG，以免标准电池连续放电而衰竭报废。操作时
112、应短暂按一下，迅速调整Rb后，放开，瞬间再按一下，如此反复进行，直到检流计指针指零，调整好工作电流为止。其次，因为干电池工作电压不稳定，每次测量Ex之前，原则上都应先标化工作电流，这点不可忽视。手动电位差计种类较多，视仪表或传感器输入或输出阻抗不同选择高阻或低阻电位差计。视测量性质不同，应选不同精度等级的电位差计，上述UJ-36的精度为0.1，用于校验动圈表及电子电位差计的标尺是可以的。如用于校验热电偶，则应选用UJ-31、33，它的精度为0.02级；工业热电偶现场校验，使用UJ-36也可以。3电子电位差计的检测桥路电子电位差计的检测桥路工艺电阻RB滑线电阻Rp是产生标准电动势Es的，它的阻值
113、与长度有严格要求，即在规定长度内，绕制成的电阻准确，非线性在0.5以内，在工艺上难以做到。因此增加一个电阻RB，它与Rp并联后的电阻规定为900.1(也有并联后为2530的)。因为RB是锰铜丝绕在框架上的，其阻值容易调整，与Rp并联后的电阻也就不难调准了，如图3-9。其次，虽然Rp是用耐磨的卡码丝或锰钯丝作成，使用日久，其电阻值也会因磨损而变化，也需要利用RB来进行调整。可见，工艺电阻RB的配备是非常必要和方便的。量程电阻RM仪表的量程终点，显然决定于Rp的最大电阻值。当RM的阻值不变时，不能用来检测大于该量程的电动势值，也不能用以检测过分小于该量程的电动势信号。因此与Rp再并联一个量程电阻R
114、M，就可以视需要调整了。为了调准RM值，它是由RM+rM两部分组成的，后者实际上是将一段裸露锰铜丝并联，利用电烙铁移动两根丝上之间的焊点位置，可以微调并联电阻值，这样就很容易调准量程电阻。起始电阻RG串联在Rp的前面，调整RG可使量程的起始值大于零。显然，RG值越大，仪表起始值超高。它是RG及rG串联的，后者也作成并联微调的形式，便于调准好起始值。限流电阻R1串联在该回路中，可以限定该回路的电流I1，满足I14mA的要求，它影响测量精度，故要求R1的偏差应达0.5。以上构成的电位差计，可以测量零以上的正电势，但不能测量低于零的负电动势。为此，增加了另一个回路，称为下支路。上述回路则称为上支路。
115、下支路由R2及R3组成，由于下支路的引入，在CD两端可以形成小于零的电位，即负电位。显然，在电源AB两端，上下支路的电位应该是相等的，即：UACUBD，这时UCD0，即电位差计测量起始电位值为零以上的电动势。UACUBD，则UCD0，即起始值小于零，也就可用来测量负电动势了。热电偶冷端温度补偿电阻R2下支路的电阻R2除形成下支路产生负电位外，如果用温度系数较大的铜电阻，可用作热电偶冷端温度自动补偿。前已述及，当冷端温度升高后，热电偶的输出电动势降低，R2也随温度升高而增大，改变了R2(R2+R3)的比值，相当于提高了RG的阻值，使检测桥路的起始值提高一些，只要R2的阻值选配恰当，能对热电偶的冷
116、端温度实现自动补偿，一般用0.10.2mm高强度漆包线绕成无感电阻。R3为下支路的限流电阻，利用它将下支路电流I2调准为2mA。这样构成的电位差检测电路是实用的，待测电动势Ex与桥路标准电动势Es平衡时则有：式中，a为滑线电位器触点位置移动后的位置。上式表明，电位差计的Exmax、Exmin范围(即量程)与大小，只要改变RG及RP是可以调整的，后者是靠改变与Rp并联RM的办法来调整，前面已经介绍过了。将电子放大器代替检流计，不平衡电压经电子放大器放大后，推动可逆电机SM，经减速机构移动滑线电位器触点并同时带动指针，当EsEx时，电子放大器无输入信号，可逆电机停止转动，滑线电阻触点移动位置(或指
117、针转过的位置)就代表待测的电动势Ex。这就是电子电位差计的工作原理，其原理系统如图3-9b所示。配热电偶的测量线路配热电偶的测量线路配合热电偶的动圈表其测量电路由三部分组成，即热电偶，延伸导线及外接电阻，以及动圈表。配热电阻的测量线路配热电阻的测量线路热电阻是利用不平衡电桥检测的，故配合热电阻的测量线路包括电源、电桥及动圈表三部分组成。电子电位差计电子电位差计由检测桥路，电子放大器及平衡机构三部分组成的闭环测量电路。实际检测桥路中上下支路的作用，Rp、RB、RM、RG的作用。298手动电位差计手动电位差计 主要用途、使用方法、步骤主要用途、使用方法、步骤(二)电子放大器电子放大器由变流器、电压
118、放大器与功率放大器三部分组成，早期电子电位差计采用电子管，以后采用晶体管，现在采用集成元件。JF-12型晶体管放大器，虽然已经过时，但生产上使用还不少，这里只作简单介绍。1变流器变流器机械变流器机械式振动变流器称为振动子，配合输入变压器将直流电动势信号转变为交流电动势信号，其原理如图3-10所示。振动子既然有动触点，接触电阻就难免产生变化，加上触点容易磨损可能出现故障。但它的输入阻抗高，抗干扰性能较好，因此得到广泛应用。输入变压器除配合振动子起变流作用外，它还隔离检测桥路与电子放大器。加上采用高导磁的玻镁合金，在口字形窗口内采用双线并绕法对称各绕一半一次、二次绕组，对外界磁干扰基本上相互抵消；
119、在两绕组之间又采取双层屏蔽，因而大大提高了仪表的抗干扰能力。场效应管变流器采用场效应管构成的无触点变流器如图3-11。变流效率高达80以上，寿命长，工作可靠，应用日广，它是四个结型场效应管组成的无触点开关。借双稳触发器(图中下半部分)输出的脉冲方波交替地使场效应管V1与V4导通(V3点V2截止)，或V2与V3导通(V1与V4截止)。GSDUGSSDG源极漏极栅极2电压放大器电压放大器其作用是将微弱的电势信号，经电压放大级到其作用是将微弱的电势信号，经电压放大级到可以推动功率放大级，从而驱动可逆电机转动可以推动功率放大级，从而驱动可逆电机转动。电压放大级由四级晶体管共射极直接藕合放大器组成，如图
120、312，在第二、三级放大器的发射极串有二极管，目的在于利用二极管直流电阻大而交流电阻小的特点，不仅满足了直接藕合放大器工作点的要求而且保证放大系数稳定。R10由第三级将输出信号经R10引到放大器输入级，造成大环流深度负反馈，大大提高了放大器的稳定性。为了稳定放大器的工作点，在第一级输入端接有热敏电阻Rt，利用它的负温度系数特性，大大改善环境温度对放大器的影响。图中V8、R5及电容C3构成电压放大器的电源晶体管滤波器。在一般阻容滤波器中，RC乘积越大，滤波效果越佳，但势必选用大容量电容器；它的体积大，漏电也大，效果反而不好，如选用大电阻，则电压降太大也不适用；将V3作射极输出器，因为射基极电压U
121、be很小，它的输出电压U0基本上等于C6的端电压。相敏功率放大器的作用是把电压放大级送来的交流电压信号转换为足以推动可逆电动机所需的功率。它的特点是对输入交流信号的相位具有敏感作用。也就是说，若输入信号为某种相位时(正相)，功率放大器的输出信号将推动可逆电动机按顺时针方向转动(正转)，若输入信号相位改变180。时(反相)，其输出将使电机按逆时针方向旋转(反转)。3相敏功率放大器相敏功率放大器相敏功率放大级是由V21及V22及输出变压器T2组成，如图3-13a，变压器T2的二次绕组是对称的，功率放大器的输出接在可逆电机SM的对称控制组N2与N3上，加于集电极上的电压是反相对称的，它的工作过程有三
122、种状态。T2当待测电动势未变，即ExEs，相当于输入电压u0，这时检测桥路平衡，故V21及V22均截止，流过变压器T2二次绕组的工作电流ic1与ic2相等，方向相反，可逆电机不会转动，表示检测桥路处于平衡状态。当被测电动势Ex升高，即ExEs，相当于u0，假定u的方向与u21一致，则V21导通，V22仍截止，因此iclic2，电流流过可逆电机控制绕组N2，电机向一个方向转动，带动滑线电阻的触点，直到检测桥路中ExEs为止。滑线移过的位置就代表待测电动势Ex。当被测电动势降低，即ExEs，相当于u0，则它与u22方向一致，晶体管V22导通，V2l截止，ic2ic1，电流流过控制绕组N3，方向相反
123、，电机反向转动，直到EsEx为止，同样，滑线移过的位置代表待测的电动势Ex。上述过程的波形如图3-13b，其中输入滤波电容C2，滤去高次谐波，并补偿变压器电感造成的相位移。 还有一种不用变压器T2藕合的功率放大器，它是用射极输出倒相器代替变压器，其工作过程同样有三种状态，与上述原理基本相同。(三三)电子电位差计的使用与调整电子电位差计的使用与调整电子电位差计有两种标尺，一种是以毫伏刻度，一种是以温度刻度，前者是通用的，后者是专用的，因为采用热电偶类别或测量范围不同，它的标尺刻度是不能混用的。温度刻度标尺的电位差计必须采用标尺上注明的热电偶，否则应更改与该热电偶相应的标尺，并将标尺刻度重新标定后
124、才能应用。如将温度刻度的电位差计改作直流电势测量，应将R2换成锰铜电阻，并重新标定标尺后方可使用。即使是新出厂的电子电位差计，配合的传感器或转换器也符合要求，仍应进行调校后才能使用。原因是经过长途运输，或存放时间长或使用太久，也可能出现差错。电子电位差计的调校可用直流手动低阻电位差计作信号源，直接送入电子电位差计输入端进行，通常应进行以下调整。1不灵敏区不灵敏区仪表的灵敏度应满足不灵敏区小于仪表量程的0.25的要求。这在仪表出厂时已经调整好，一般无须进行调整。就是说当输入满量程电动势值的0.25时，仪表指针能立即反映出来，移到相应的信号标尺处，否则应进行调理。 先利用调整放大倍数的旋扭(图3-
125、12中的Rw)，增减放大系数，到仪表指针能迅速反映并快速移到信号标尺处，摆一两下就稳定下来。不灵敏区应该在标尺最大电动势值的10，50及70三点附近进行测试，方法是在每一点从小到大输入相应百分数的电动势信号E实，当指针刚开始上移时，计为E实；然后小心减少输入电动势值，到指针刚好开始向下移动，记作E实，则不灵敏区按下式计算：式中E终、E始仪表标尺的最大值与起始值。仪表不灵敏区E终的0.25为合格。不灵敏区大了反应迟钝，误差增大；不灵敏区小了，指针摆动不停无法读数，滑线的磨损太大也是不适宜的。不灵敏区就相当于前述的变差，主要是由传动机构间隙引起的。2阻尼特性阻尼特性仪表的阻尼特性表现为指针在阶跃信
126、号作用下到仪表的阻尼特性表现为指针在阶跃信号作用下到达测定值时的稳定程度达测定值时的稳定程度，方法是利用手动电位差计阶跃输入适当的信号，指针迅速移到相应于该电动势值的标尺处，摆动一两下即稳定下来，且超调量不大于1，超调太大则摆动频繁，是欠阻尼的，指针移动缓慢，没有超调，是过阻尼的；都不适宜。这时应调整阻尼旋扭，改变放大器中的速度反馈。有的电子电位差计没有速度反馈，只有改变放大器的增益来调整。只作记录用的电子电位差计，阻尼特性调整到微欠阻尼为好。带有位式调节(电接点)的电子电位差计，则调整到微过阻尼为好。3示值误差示值误差式中，E1为相应于热电偶冷端温度的电动势值(mv)，这是指在冷端温度补偿电
127、阻处，用0.1分度的水银温度计实际测定的温度相应于热电偶的电动势值。利用手动电位差计按刻度的整100标尺相应的电动势值E示向电子电位差计输入信号，使指针超刻度值两三格之后，逐渐减小信号到该指针处记下电位差计的电动势值为E实，则示值误差示为：校验时如采用铜导线将电位差计接到冰点槽内，再用与热电偶相适应的补偿导线接到电位差计，则示值误差为：式中，E2为补偿导线误差修正值。校验时如果用相同阻值的锰铜电阻代替铜补偿电阻R2，则电位差计受环境温度变化的影响极小，示值误差为：式中，E0为仪表标定温度(20)所对应的电动势值。示值误差应在仪表不确定度范围以内，电子电位差计的不确定度为0.5。4记录误差记录误
128、差仪表记录指示值与标尺刻度示值之间的差别称为记录误差。用手动电位整计在每一整百度标尺处送入相应的电动势值，这时标尺示值为 E实，记录笔尖处的示值为E示，记录误差记为：记录误差是由于记录纸装配不周或指针末调好造成的，一般应小于(11.5)，视仪表型号而定。二、电子平衡电桥二、电子平衡电桥电子平衡电桥除检测桥路不同外，其它部分与电子电位差计是一样的，故这里只介绍检测桥路。电子平衡电桥采用惠斯登电桥为检测桥路，当(Rt+r1)R3(R4+r2)R2时，电桥平衡，电流计G中无电流流动。当热电阻变化Rt时，则上述平衡被破坏，RP的滑触点移动到另一个r1/r2处，电桥恢复平衡，则滑触点移过的位置代表Rt的
129、变化量，即所测的温度值。将检流计取消，以电子放大器代替，并给Rp配上工艺电阻RB及量程电阻(RM+rM)，起始值电阻(RG+rG)，即构成电子平衡电桥如图中(b)。当Rt变化后，电桥输出的不平衡信号e经电子放大器后，推动可逆电机SM，它带动Rp的滑触点，改变r1与r2的比值，直到电桥平衡时，U0。可逆电机同时带动记录笔，指示与记下温度值。应当指出，传感器接到电桥有三根线，即所谓三线制，其原理前面已经介绍过了。3-5 数字温度显示仪表数字温度显示仪表数字显示仪表是一种具有模数转换器并以十进制数码形式显示被测量值的仪表，仪表内部再配置某种调节电路或控制机构就成为数字显示调节仪表。人们习惯上将各种不
130、同功能的数字显示调节仪表通称为数显仪表。数字式温度表实质上是一个数字电压表。数显仪表的发展已有数十年的历史。自从英特希尔(INTERSIL)公司率先推出单片集成电路3位模数转换器以来，仪表的结构和性能有了新的突破：线路得以简化，精度显著提高，仪表的可靠性也大大增加。微电子技术的迅速发展和新型半导体器件的不断出现，更使其功能日臻完善。数字显示调节仪正以其明显的优越性冲击着传统的模拟仪表，并逐渐取而代之。数字显示调节仪得到如此广泛的加用，主要是由于它具备以下特点：(1)用数码管和光柱管显示测量值或偏差值，直观明了，读数方便，无视差。(2)表内普遍采用中、大规模集成电路，线路简单，可靠性好，耐振性强
131、。由于采用先进的CMOS模数(AD)转换器、线性集成电路和半导体发光器件(LED)，所以电路稳定、寿命长、耗电省，使用、维护方便。(3)仪表采用模块化设计方法，即不同品种的数字显示调节仪表，都是由为数不多的、功能分离的模块化电路组合而成。这不仅有利于制造厂实现流水线生产，降低生产成本，而且便于调试和维修。(4)仪表品种繁多，配接灵活。仪表内设置不同的变换电路，可输入不同类型的测量信号，而配置不同的调节电路，则可输出多种控制动作和报警信号。(5)与热电偶配套或与热电阻温度计配套的仪表均具有线性化电路。前者还具有冷端补偿的功能，后者考虑了外线电阻的补偿，因而仪表的测量精度较高。(6)仪表除具有显示
132、、调节报警功能外，还可用作变送器，输出统一标准的电流信号(010mA(DC)或420mA(DC)。(7)船用型仪表对振动、冲击、盐雾等恶劣环境的耐受能力强；耐大气腐蚀型仪表被允许在环境污染严重的场合下使用。(8)仪表外形尺寸和开孔尺寸均按国家标准或国际IEC标准设计。温度与其它热工参数，都是随时间连续变化的随时间连续变化的模拟量模拟量。前述动圈表、自动平衡仪表都是显示和记录过程变化量的模拟仪表。这种仪表容易受磁电干扰，要提高精度，仪表的结构更复杂而且稳定性也较差。数字化仪表显示记录的是脉冲数字量，关键是采样和量化采样和量化必须满足要求。数字仪表的准确度较高，可达l0-6数量级；灵敏度高，可达0
133、.1V；测量速度快，每秒几十次到上百万次。不但仪表比较可靠，而且容易实现线性化，自稳零，自动切换量程与故障自检等。故数字化仪表发展极为迅速，用途也十分广泛。一、采样和采样定理一、采样和采样定理对于连续变化的模拟量，以一定间隔时间的脉冲序列(t)近行调制采样，则对应于不同采样周期T有：0、T、2T、3T、nT个脉冲变量值：x(0)、x(T)、x(2T)、x(3T)、x(nT)，如图320所示。当脉冲宽度为，其值为：这就是函数，经它调制后的采样信息是一系列脉冲信号，其包络线应与模拟输入信号一致，如图中虚线所示。由图可见如采样周期不恰当，可能要丢失一些信号或所采样的信号畸变，不能代表它所调制的模拟信
134、号。要保证采样信号不发生畸变，采样频率s应足够高。设被采样信号所含最高频率max，则采样频率s应为s2max就是说采样频率必须是信号所含最高频率的两倍以上，这就是采样定理。须知这里所讨论的采样频率为下限值，实际上要高得多。显然，如果T太短则采样过多，可能引起仪表的频繁动作，显示数字跳动不己，对控制系统中的执行器与控制阀的工作也极为不利，如果T太长则容易引入干扰。故应视具体检测的参量而定。例如温度传感器响应较慢，滞后较大，采样周期T应取长一些；流量信号响应较快，波动也大，容易受干扰，采样周期应取短一些。有关过程控制参数的采样周期如表33，只有只有在一定的采样周期内进行足够的采样，才能保在一定的采
135、样周期内进行足够的采样，才能保持被采信号的性质持被采信号的性质。按式(315)确定的采样周期只含被采信号最高频率仍然是不够的，一般认为s是max的五倍或更高。实际上采样周期应视参量变化快慢而定，在控制系统中则应以控制阀的移动速度能跟上为宜。表33中所列的采样周期只作参考，不能都以此为据。二、量化误差二、量化误差模拟量经AD转换为数字量，将十进制转化为二进制，当后者表示的位数有限时，必然存在误差，例如8.75写成二进制为1000.110，如只能用四位数表示，则只能写成100l，当然是有差别的。显然，二进制的数字位数愈多，偏离模二进制的数字位数愈多，偏离模拟量的误差愈小拟量的误差愈小。由模拟量转变
136、为数字量所产由模拟量转变为数字量所产生的误差称为量化误差生的误差称为量化误差。它决定于数字指示最低位一个字所对应的被测参量值。数字量最低位表示的数值称为量化单位q，用它与采样周期的模拟量进行比较，大约可分割成多少个q，当然是近似的。一个模拟量x(t)转换成数字量y(t)，由量化引起的误差在-q/2到q/2范围内变化，如图321，可见量化误差决定于量化单位q的大小并与被测信号x(t)的变化有关。即量化误差：量化误差是因十进制转换为二进制由于其位数不足引起的。上述区间L也可用二进制表示，都是二的幂数2d，d越大，量化精度越高，AD及DA转换的精度主要取决于第一级的精度，对于八位二进制数表示一个数时
137、，d8，即8位AD转换将模拟输入电压量化为2d，即28256个电平，可精确到1258，如被测对象为标准铂铑热电偶1300时的电动势值13.116mV，最小测量值为13.116/2560.0514mV。三、标度变换三、标度变换数字仪表的输出是数字量，必须再转换为与所测模拟量相同的物理量，例如，被测温度为650，经过A/D转换为1000个脉冲输出，如果就显示1000,显然是不行的。标度变换就是完成这一变换环节的，使其显示对应的模拟量值，在此即为650。标度变换在AD转换前后进行都可以。四、数字温度表结构原理四、数字温度表结构原理五、数字采集系统五、数字采集系统以微型计算机组成的数字采集系统，适于试
138、验参量的自动检测和显示，并能方便地与计算机联用。用单片机构成智能仪器，不但成本低，功能强，使用包很方便。因而发展极快，应用也日益广泛。本本 章章 小小 结结显示仪表是配合各种传感器的通用仪表，一般称为二次仪表，主要有显示表，显示记录表，有手动与自动两大类，还分为模拟显示与数字显示两大类。动圈表实质是磁电式电流表，其标尺上的示值是在回路电阻一定时标定的，故使用时应按其规定接入并调准线路电阻R外。自动平衡仪表是由检测桥路、电子放大器与平衡记录机构组成的，灵敏度与精度高，加上速度反馈，工作过程快而稳定，是目前应用最普遍的一种自动显示记录仪表。由于仪表量程容易调整，故适应性广。数字温度显示仪与数字采集
139、系统，是将模拟量经AD转换为数字量，因而存在不可避免的量化误差，必要时应选用12位或更多位的AD转换器，也可将所测参数值进行分段转换，以便利用价值低得多的8位AD转换器完成精度较高的测量。由数字量到参量的显示，应进行标度变换，处理不当会造成误差。这两点要充分注意。数字仪表精度高，结构并不复杂，己广泛应用。第四章第四章 温度控制仪表温度控制仪表41 概述概述一、自动控制系统的基本概念一、自动控制系统的基本概念 炉温控制是热工工艺过程中关键的一环，温度是否控制恰当，将严重影响工件质量。控制系统是由传感器(及变送器)、控制器、执行器与控制机构组成的。结合被控对象特性，可以组成不同的控制系统，就热工工
140、艺而言，主要是定值控制与程序控制。炉温自动控制是在炉温手动控制基础上发展起来的。以自藕变压器人工控制炉温为例，自藕变压器的原边电压为交流220v，副边电压可通过手柄的旋转在0250v范围内变化。如图4-1a所示。温度由热电偶(T1a)检测送到显示仪表(T1b)将温度值显示出来操作人员眼(Tlc)看温度值用脑(T1d)分析是否合乎要求用手(T1e)旋转变压器要实现炉温自动控调，必须有代替人观察、分析、运算和判断功能的仪表，还要有执行控制动作的机构。图4lb是采用热电偶检测，经温度变送器、显示仪表，将炉温数值显示记录下来；炉温信号同时送到调节单元，在此与炉温规定值进行比较，并进行比例(P)、积分(
141、I)及微分(D)运算后，其输出经伺服放大器将信号放大(图中未画出)，推动电动执行机构，转动自藕变压器的旋钮T1f，增减送入电炉内的电压，达到自动控制炉温的目的。采用热电偶T1a检测经温度变送器T1b转变成统一的标准信号送到显示仪表T1c炉温信号同时送到调节单元Tld推动电动执行机构，转动自藕变压器的旋钮T1f可见，要实现炉温控制需要三种功能的仪表，实现炉温控制需要三种功能的仪表，一是参数检测转换装置，通称传感器一是参数检测转换装置，通称传感器(与变送器)，这在前面已讲过了；二是比较与运算部件，二是比较与运算部件，通称控制器通称控制器( (调节器调节器) )，三是执行控制命令的部三是执行控制命令
142、的部件，通称执行机构件，通称执行机构。总之，自动控制实际上是模拟人的观察和思维活动并代替人的操作。它反映的是人们的经验积累。随着科学技术的不断发展，人们的知识和经验愈来愈丰富，控制仪表自然也由简单向高级发展。二、自动控制系统的类别二、自动控制系统的类别 自动控制系统的分类方法不同，名称也就不同。按被控量划分有温度控制系统、流量控制系统、压力控制系统等；按控制器的控制规按控制器的控制规律分有比例、比例积分与比例积分微分控制系律分有比例、比例积分与比例积分微分控制系统统等；按信号馈送部位分有前馈控制系统、反馈控制系统及前馈-反馈控制系统等。应用较多的是按设定值方式不同而分的以下三类控制系统：1定值
143、控制系统定值控制系统设定值设定值r不变，要求被控量保持恒定或在限定的不变，要求被控量保持恒定或在限定的小范围内保持不变的，称为定值控制系统小范围内保持不变的，称为定值控制系统。这是一种应用最多、最广，也是构成方案较多的系统。针对一个被控对象，采用一个控制器，一个执行机构，一个控制机构，一个检测与变送器构成的称为单回路控制系统，也称为简单控制系统，如图4-2所示。2程序控制系统程序控制系统测定值按工艺过程的需要改变测定值按工艺过程的需要改变，如热炉的升温、保温及降温曲线，要求炉温控制随设定值的变化程序符合该曲线的要求。在控制系统中，它是用程序设定装置设定的，控制器就按规定的程序自动进行下去。3随
144、动控制系统随动控制系统设定但是随机变化的，被控量在一定精度范围设定但是随机变化的，被控量在一定精度范围内，跟随设定值变化内，跟随设定值变化，这是一种按被控量与设定值的偏差进行调节的系统，只要被控量能既快而稳地跟随设定值，就达到了自动控制的要求。采用气体或液体燃料的热炉温控制，燃料量取决于炉温高低与燃烧条件，燃料量改变，空气量就要跟着变化，保持规定的燃料与空气比例，使燃料合理燃烧，并达到规定的炉温。三、自动控制系统的特性与品质指标三、自动控制系统的特性与品质指标对对自自动动控控制制系系统统的的基基本本要要求求是是：快快速速而而准准确确地地克克服服被被控控量量的的偏偏差差，并并保保持持系系统统稳稳
145、定定。在稳定情况下，控制系统的输出与输入量的关系可表示为：yKx (4-1) 这就是被控系统的静态特性。K为系统的放大系数。42 炉温位式控制炉温位式控制位式控制器是最早出现的最简单的一种控制器，经过若干改进，至今仍广泛应用着。因为它的结构简单、成本低、他用维修方便，故仍为人们所欢迎。一、位式控制原理一、位式控制原理位式按制器的控制规律很简单,就象人们利用水龙头放水一样，需要水时打开水龙头，不需要水时就关闭水龙头。热炉的位式控制如图46所示，当被控量y(t)低于设定值r时，开关S接通电源，炉温上升；当被控量等于设定值时，开关S切断电源，炉温下降，如此周而复始，保持炉温在规定范围内波动。被控量y
146、(t)变化与控制机构的位置只有通或断两种情况，故称为双位控制器。为了改善控制品质，自然有三位或多位控制，但效果不太大。双位控制器唯一可调整的是继电器与接触器的通断快慢，借此以减少其控制不灵敏区，但这是非常有限的。二位式控制的规律是：二、二位式控制器二、二位式控制器二位式控制器（亦称双位控制器）应用最广泛的是高高频频振振荡荡式式(动动圈圈表表)及及自自动动平平衡衡仪仪表表附附加加的的内内(外外)给给定定位位式式控控制制开开关关，后者比较简单，这里从略。动圈表内加一套振荡与放大控制电路，构成位式控制器。国产XCT系列就是这种控制器，它是由输入回路及控制回路两大部分组成的。输入回路己在第二章中介绍过
147、了，这里只介绍高频振荡电路。热电动势Et送入动圈5使指针l产生偏转标尺6上指示出炉温设定值指针2可以移动一对检测线圈4，调谐线圈检测线圈之间有一气隙振荡电流经整流和功振荡电流经整流和功放后使继电器放后使继电器Kl的衔的衔铁吸下铁吸下接触器K2接通电炉加热丝EH接通电源高频振荡式双位控制原理如图电感三点式振荡器等效电路如图49。基极振荡回路L1、L2及C(C1+C2)，射极选频振荡回路L3C3。电感L1、L2接在晶体管三个极点A、B、C三点，L1在基极与射极之间，L2在集电极与射极之间，B点通过L3C3接到射极，只要一通电源，在L1内必然有极小的电流流到基极，放大后由集电极输出，由L2反馈回来，
148、加强L1内的电流，这样反复进行，震荡迅速加强，到一定程度时，振荡不停，即产生了自激振荡，振荡频率f1为： 基极发射极集电极 CG晶体管集、基极间的电容。在射极回路中的L3C3是一个谐振回路，其振荡频率为f2：仪表设计有两个工作状态：当被控量低于设定值时，即y（t）r，这时f2f1，谐振回路的交流阻抗Z极小，振荡器的负反馈作用很弱，振荡器震荡强烈，输出震荡电流经二极管V1整流及V3功率放大后，足以推动继电器K1，使K2接通。这一工作状态，在被控量低于设定值时，一直保持不变。电炉处于继续通电升温阶段，指示灯RD亮，GN灭。当铝旗进入检测线圈L3的气隙，即被控量等于设定值时，由于铝旗内产生涡流互感作
149、用使L3的电感减小，这时f2f1，谐振回路阻抗Z极大，负反馈作用很强，振荡器停止震荡，没有震荡电流输出，继电器K1衔铁释放，K2断开，切断电炉加热电源，炉温下降，电炉处于断电降温状态，指示灯GN亮而RD灭。当被控量降到低于设定值时，又重复上述过程，达到炉温双位控制的目的。43 炉温比例积分微分控制炉温比例积分微分控制一、比例积分微分控制原理一、比例积分微分控制原理炉温采用位式调节时，输输入入功功率率不不能能连连续续变变化化，这是位式调温精度不高的根源所在。同时，作为位式调节系统的执行元件交流接触器，因通断次数频繁容易损坏，有噪声公害。如采用连续调节，则可以克服这些缺点。炉炉温温的的连连续续调调
150、节节，就就是是根根据据温温度度偏偏差差按按连连续续调调节节规规律律连连续续地地改改变变输输入入炉炉子子功功率率的的调调温温方方法法，是种无触点调节方法。简称PID控制控制。以开关水龙头控制水位为例，要保持液位稳定，水龙头有几种不同的开法。最简单的开法是水位低了就开水龙头，水位高了就关水龙头，这就是前述双位控制方法。a.有的见水位低得多，开关开大一些，水位低得少，就开小一些，力求保持液位稳定；b.有的见水位低，就不断缓慢地打开水龙头放水，直到水位达到规定值为止；c.有的则性急一些，一见水位低落就快开水龙头放水，再把水龙头逐渐关小，试图尽快保持水位不变。这是三种最基本的连续开关法，当然还有其它基于
151、这三种方法的可能更合理的开法。a方法可以克服水位变化，但造成的偏差较大；b方法可以稳定水位不变，但不易消除水位偏差，稳定过程可能较长；c方法容易克服水位偏差，但可能波动太大。综合这些开法，取长补短，可以得到不同的开关阀门的动作规律，称为控制规律。1比例控制规律比例控制规律(P动作动作)上述第一种开法就是所谓的比例控制规律，简称P动作。其特点是，被控量y的偏差y0大，控制阀门的开度也大，偏差小则开度也小。其动态特性方程为：偏差偏差比例比例系数系数比例比例带带 Kp比例放大系数，即被控量一单位时，执行机构位移的变化量； P比例带，也称比例度，执行机构100移动时，被控量偏差值的百分数；Z位移量为无
152、源比例电路，为无源比例电路，U U0 0KpUKpUi i具有类似作用具有类似作用 比例带大时，执行机构的位移量要小一些，但过渡过程可能逐渐稳定下来，不致于产生过调甚至产生自激振荡。但被控量存在的偏差值较大；比例带小时，执行机构移动快一些，被控量的变化比较灵敏，存在的偏差值也较小。比例带P选择恰当，会收到比较好的效果。但不能认为比例带P愈小愈好，因为在控制过程中，执行机构的移动速度与被控量的变化速度成正比，即；dzdtKpdydt，如P选小了，执行机构的移动速度很快，会造成严重的超调，引起被控量的反复波动而产生自激振荡，控制系统可能完全失调，这是极不希望的。2积分控制规律积分控制规律(I动作动
153、作)第二种开法的实质就是积分控制，称为I I动作。只要被控量发生变化，控制器就开始动作，执行机构不停地移动。被控量的偏差愈大，执行机构的移动速度愈快，直到被控量的偏差被消除为止。积分控制的动态特性方程为： 积分速度积分速度 积分时间积分时间 在阶跃信号的作用下执行机构的位移量其阶跃响应曲线如图4-18由于积分动作比较迟缓，消除偏差也就慢一些。减少积分时间TI，则积分速度增大，消除偏差加快。积分动作的优点是能完全消除偏差，使被控量回到设定值。但须指出，执行机构的移动速度与被控量的偏差成正比，即：dzdtIy0，它好比一个不熟练的操作人员，视被控量的偏差开关阀门，开的速度不当时，容易造成过调，甚至
154、会造成自激振荡。因此，只有只有积分作用的控制器，分作用的控制器，不能不能单独使用独使用。 3微分控制规律微分控制规律(D动作动作)第三种开法就是所谓的微分控制，简称D动作。在微分控制作用下，执行机构的移动速度与被控量的变化速度成正比。理想微分环节的动态特性方程为：微分时间微分时间 在阶跃信号作用下，响应曲线如图4-19。与RC微分电路相比也是类似的(见图a)，输入电压使电容器充电得一尖脉冲电压输出，迅即逐渐消失。微分作用使执行机构快速移动，迅即缓和下来并逐渐消失，它反映的是被控量的变化速度。应当指出，被控量的变化速度为零，不等于被控量未变化。例如被控量以恒速缓慢变化时，微分控制便失去作用，被控
155、量将一直恒速变化下去，造成严重的偏差，控制器变得毫无作用。故只有微分控制作用的控制器也是不能单独使只有微分控制作用的控制器也是不能单独使用的用的。由上述分析可以看出，比例控制能尽快克服比例控制能尽快克服被控量的偏差，但存在静差被控量的偏差，但存在静差，被控量回不到设定值；积分控制能消除静差，但容易产生积分控制能消除静差，但容易产生过调过调，甚至产生振荡；微分控制作用比较强微分控制作用比较强烈，有利于克服动态偏差，但控制作用短暂烈，有利于克服动态偏差，但控制作用短暂即消失即消失。如果综合使用上述的两种或三种控制动作，必然会得到更为满意的控制效果。1.1.比例控制能尽快克服被控量的偏差，但存比例控
156、制能尽快克服被控量的偏差，但存在静差在静差，被控量回不到设定值；2.积分控制能消除静差，但容易产生过调积分控制能消除静差，但容易产生过调，甚至产生振荡；3.微分控制作用比较强烈，有利于克服动态微分控制作用比较强烈，有利于克服动态偏差，但控制作用短暂即消失偏差，但控制作用短暂即消失。如果综合使用上述的两种或三种控制动作，必然会得到更为满意的控制效果。在阶跃信号作用下，执行机构的位移Z为4比例积分控制规律比例积分控制规律(PI动作动作)PI控制的动态特性方程为：综合使用这两种控制作用，能使被控量较快的趋向于稳定，在存在的静差被积分控制作用逐渐消除得到无差调节效果。只要比例带P及积分时间TI选择得当
157、，被控量的偏差便能很快被消除。但对于容量和滞后大的被控对象无能为力，因为控制器只能反映被控量变化，容量大或滞后大的对象，被控量已发生变化时，要等待容量滞后过去以后才能被检测到，这时被控量已早变化了，控制器的动作总是落在实际过程的后面，不可能克服被控量的偏差，甚至愈调愈乱，失去自动控制作用。在阶跃信号作用下，执行机构的位移Z为：5比例微分控制规律比例微分控制规律(PD动作动作) 利用微分器反映被控量变化速度的超前作用，配合比例控制的动态特性方程为：控制结果存在静差，它是由比例带造成的。但只要被控量发生变化，其变化速度先引起执行机构的快速移动，有效地抑制被控量的动态偏差，从而防止产生振荡。由于微分
158、作用的存在，由于微分作用的存在，控制器的比例带控制器的比例带P P可以适当减小可以适当减小，以加强控制作用。综合微分控制能抑制动态偏差的作用，在PD控制下，被控量的动态与静态偏差都将相应降低，从而获得较好的控制效果。6比例积分微分控制规律比例积分微分控制规律(PID动作动作)三种控制作用同时采用的控制器，其动态特性方程为：在阶跃信号作用下，其响应曲线如图4-22：显然，只要P、TD及TI三个参数选择恰当，将会得到优良的控制效果。 P动作有利于缩短控制过程，减小动态偏差， I动作可以消除静差； D动作增强控制作用，综合控制的效果是比较理想的。因此PID控制器是目前最优良的常规控制仪表。二、比例积
159、分微分控制器二、比例积分微分控制器1DDZ型调节单元PID控制器的品种较多，实现PID作用的方式也各不相同。最普遍的是采用RC运算回路，构成控制器的反馈网络，如自动平衡仪表附带的PID控制，动圈仪表附带的PID控制器，以及DDZ-型电动单元组合仪表中的控制单元等。图4-23示出DDZ-型调节单元原理电路，它是由输入回路、PID运算回路及手动操作回路三部分组成的，本部分不做介绍。三、炉温三、炉温PID控制系统控制系统以调节单元为核心构成的PID热炉炉温控制系统如图4-27。传感器检测到的温度信号除送显示器外，同时经温度变送器转换成统一信号送到PID控制器，与设定值相比较，如有偏差即驱动调压器或调
160、功器，自动调整送入电炉的加热功率达到自动控温目的。由于使用晶闸管的工作方式不同，有几种调压或调功系统。(一一)PID控制系统的组成控制系统的组成1移相触发晶闸管调压控温系统移相触发晶闸管调压控温系统 采用PID控制器控制电炉温度，晶闸管作控制元件比较实用，其原理如图4-28a。由于控制器的输出信号太小，还要采用ZK型可控硅触发器，将信号放大并转换成脉冲信号，才能触发晶闸管，使电炉的加热电流按PID规律变化。220V控制系统的原理电路如图控制系统的原理电路如图4-28b4-28b 分压分压设设定定反馈反馈ZKZK型触发器型触发器晶闸管栅极晶闸管栅极G G1 1及及G G2 2Rc由控制器进来的0
161、l0mA电流信号，经R1在R2上形成信号电压，与取自R4的设定电压及R6上的反馈电压叠加后进入ZK型触发器，它是由晶体管V1及单结晶体管V3等组成的脉冲发生器。信号电压使V1基极电位改变，集电极电流Ic相应变化，电流Ic经V1、Rc向电容C3充电，当C3的电压Uc3升高到单结晶体管V3的峰点电压Up，则V3的eb1间的电阻突然减小，电容C3的电荷即经eb1放电，在脉冲变压器的负边感应输出一个触发脉冲。 随着输入V1信号电压大小的不同，电流Ic的大小也有区别，因此C3的充电速率不一样，C3的电荷放电时间也就有所不同，输出脉冲即发生相移，加到晶闸管栅极G1及G2上的触发脉冲使晶闸管的导通角随其相移
162、而改变，通过晶闸管的电流就会因为控制动作的不同而相应变化，即送入电炉内电热丝EH的电流是按PID控制规律变化的，这样就达到了炉温PID控制的目的。图中整流器提供手动操作电压，当开关S转到手动时，即自R7获得稳定直流电压，调节R7可改变手动操作电压的大小，同样可以改变输出脉冲的相移，以改变晶闸管的导通角，达到手动控制炉温的目的。 图中反馈电压是取自电热丝EH加热时的感应电流，调整R6可以改变反馈电压的大小，以改善系统的稳定性。晶闸管移相触发器输出波形产生畸变，如不采晶闸管移相触发器输出波形产生畸变，如不采取良好的滤波，将会干扰同一电源中的其它电子取良好的滤波，将会干扰同一电源中的其它电子设备与计
163、算机等的工作，应充分注意设备与计算机等的工作，应充分注意。2过零触发晶闸管调压控温系统过零触发晶闸管调压控温系统 在设定周期T内，控制过零触发脉冲个数，调整每一周期内晶闸管的导通时间t，则得通断比t：T，晶闸管在过零脉冲作用下导通，从而控制输出功率如图4-29。u1只有全功率的12.5%，u2只有25%，u3只有50，u4则为全功率。(1)(1)周波周波连续式晶式晶闸管管过零触零触发器器图a为周波连续式图b)为周波断续式ZK型原理电路如图430 ,晶闸管在每一周期中的导通时间t，它与控制信号的大小成正比，就是说控制信号越大，晶闸管连续导通时间越长，这样就控制了设定周期的通断比，实质是控制了送往
164、晶闸管的过零触发脉冲个数，从而自动调整晶闸管的输出功率，达到自动控制炉温的目的。ZK0型适于单相负载，ZK03型适于三相负载，视需要选用。(2)周波断续式晶闸管过零触发器周波断续式晶闸管过零触发器由电流脉冲变换器，双稳触发器，过零检测器与整形放大器等组成，如图431a所示，其原理电路如图b。调功器的触发脉冲时刻，是由过零检测器确定的，而脉冲个数是由控制信号大小经If转换后的脉冲数确定的。随着输入控制信号的大小，调功器自动调整送入电炉内的加热功率，达到自动控温的目的。 (二二)控制系统的工程整定控制系统的工程整定连续PID炉温控制系统能否良好工作，主要决定于P、I、D三个参数的选择与配合是否恰当
165、。按被控炉温过程特性选定比例带P、积分时间TI与微分时间TD，使控温质量符合设计要求，称为控制系统的工程整定。显然，三个参数的选配可以有很多方式，这里只介绍两种常用的简便方法。1看曲线整定法经验法先把P、TI与TD设定在某一数值，让控制系统工作，观察被控量记录曲线的变化情况。一般只取： P2060； TI315min； TD0.53min 如过渡过程时间过长，被控量迟迟回不到设定值，或迟迟达不到稳定值，往往是比例带P选大了或者TI选长了。当P过大时，曲纵漂浮，且较有规则，虽然偏差并不大，但回到设定值相当迟缓。如过渡过程曲线衰减很慢，甚至产生不衰减振荡，大多是P太小或TI太短，如有微分动作则是T
166、D太长，如果振荡周期短则表明P太小；振荡周期长则TI太短；振荡很频繁，周期又短，则TD过长，如图433所示。如果过渡过程出现不衰减振荡，就不一定是P太小，具有微分作用时也不一定是TD太短。首先应肯定是否有正弦波干扰存在。如热炉体漏电、热电偶外保护管破裂或绝缘管漏电等。消除这些干扰后才能继续进行整定。看曲线整定法可能费时很长，但稍有经验也不难整定好。2阶跃响应曲线整定法阶跃响应曲线整定法略本本 章章 小小 结结炉温控制是热工工艺过程中关键的一环，温度是否控制恰当，将严重影响工件质量。控制系统是由传感器(及变送器)、控制器、执行器与控制机构组成的。结合被控对象特性，可以组成不同的控制系统，就热工工
167、艺而言，主要是定值控制与程序控制。对象特性是建立数学模型及设计控制系统的依据，因此，了解和辨识对象特性相当重要。就热炉而言，视为一阶惯性加滞后的对象是足够的。控制器是构成控制系统的核心部件。常规仪表有位式及连续式两种，后者比较先进，能实现炉温无差控制；前者比较简单，一般情况下也能满足要求。综合采用比例积分和微分控制动作，可以组成比较精密的控制系统，但并非所有热炉炉温控制都必须这样。温度的检测与控制综合设计实验温度的检测与控制综合设计实验一、一、 指导思想指导思想综合设计型实验是根据选题的需要，将各个孤立的实验贯穿起来组织与安排，这样既丰富了实验内容，又克服由单纯验证型实验或测试型实验的孤立进行
168、而造成理论与实际联系不够紧密的现象。根据课程内容的需求，将有关温度控制的元器件、测温仪表、热控制电路等方面的基本知识有机地联系起来，既加深了对知识的系统理解，又拓宽了解决问题的思路和能力。 进行综合设计实验，就是在教师指导下让学生根据实验题目、实验内容，独立完成，确定实验方案、拟定实验程序、选择实验仪器并进行安装、调试、观察实验现象，作好实验记录，进行数据处理，写出实验报告或科学论文等。 综合设计型实验有一定难度，要圆满完成一个综合设计型实验，不仅需要一定的理论知识，还需要灵活多样的实验技能。为此，要求学生要有学习的主动性和高度的自觉性，在实施任务的过程中需查阅大量的科技资料，自行处理实验过程
169、中的问题，在完成实验的过程中进一步开发智力，全面培养和发挥实验能力。“温度的检测与控制综合设计实验”，从热电偶及补偿导线的极性和类型鉴别入手，在了解了各类热电偶的鉴别、使用方法，掌握了感温元件（热电偶）及测温仪表的误差校验方法后，自己动手设计一个完整的控温电路。整个实验过程，从简单到复杂，从局部到整体，从孤立到综合。较好地完成本实验内容，可以使学生在实验的过程中系统地应用学过的理论知识，学会解决实际工作中可能遇到的问题，并能更好地培养学生严肃认真的科学态度。 二、实施方法二、实施方法（1）学生在指定时间内到实验室指导教师处选择实验题目，认真学习相关的理论知识，查阅一定的科技资料。（2）写出具体
170、方案、实施手段、测试方法、工作计划与日程安排等。（3）将准备报告交指导教师审阅，经批准后方可进行实验。2、进入实验阶段（1）准备实验所需的原材料、设备、仪器及工具。（2）进行实验观察测试与数据采集。（3）修改方案、补充实验、完善所需的资料或数据。3、结束阶段（1）分析整理实验数据，得出实验结果。（2）根据要求写出实验报告。（3）接受教师的提问，解释相关问题，成绩评定。三、综合设计实验的内容、 温度测量与控制系统的设计1.实验目的本实验是通过一个具体的温度测量与控制系统的设计及安装、调试，加深已学过知识的掌握及应用能力。2.实验任务从教师处得到一个需要温度测量与控制的任务，并以此为根据对这一温度
171、测量控制系统的设计、安装、调试。3.3.实验要求实验要求根据实验任务要求，从设计任务的性质考虑设计方案，正确选择各类仪表，按要求进行有关仪表的校正和误差标定；正确设计线路图，能够进行线路安装，进行调试。4.4.实验准备实验准备（1）认真学习相关的理论知识，查阅一定的科技资料。（2）写出具体方案、实施手段、所用仪器设备、测试方法、工作计划与日程安排等。（3）将准备报告交指导教师审阅，经批准后方可进行实验。5.5.实验步骤实验步骤(1)应用温度的检测与控制课程中所学的理论知识，设计一种温度测量与控制系统。(2)按任务要求选择温度测量与控制所需的主要元器件并设计线路图，确认无误后交老师审查，并根据审
172、查意见进行修改，再次审查合格后进行下一步。(3)按设计线路图选择实际使用的元器件，对有要求进行误差检查的元器件如热电偶、显示控制仪表等进行误差校验并标定，然后交老师进行验收，合格后进行下一步。(4)按照经审查合格的设计方案、线路图联结所需元器件，对实际测量与控制线路进行检查，确认无误后请指导教师检查，合格后通电检验该系统的可行性。6.6.实验总结实验总结写出完整的实验总结报告和设计说明书。写出完整的实验总结报告和设计说明书。、温度测量系统误差校正、温度测量系统误差校正1.实验目的实验目的本实验的目的是通过对一个具体的温度测量与控制系统进行系统误差测定，加深已学过的知识的掌握，提高应用能力。2.
173、实验任务实验任务从教师处获得一个具体的测试对象，按照实验步骤进行实验，并绘出校正曲线。3.实验要求实验要求应用试验参量的检测与控制课程中所学的理论知识，根据老师提供的具体电阻炉，校正温度测量系统整体误差。4.实验准备实验准备（1）认真学习相关的理论知识，查阅一定的科技资料。（2）写出具体方案、实施手段、所用仪器设备、测试方法、工作计划与日程安排等。（3）将准备报告交指导教师审阅，经批准后方可进行实验。5.实验步骤实验步骤（1）选择实验所需仪器设备。（2）按照选择的方法，逐步对系统各个部分进行校正。（3）将校正好的元器件及相关仪器接入炉温测量系统从而对其进行系统校正。（4）画出校正曲线，将其中一
174、份贴于所校正电阻炉合适位置。6.实验总结实验总结写出完整的实验方案和总结报告，绘出系统误差校正曲线。四、综合设计实验的实验提示四、综合设计实验的实验提示1、实验室现有仪器设备UJ36（37）型直流电位差计、电炉、烧杯、各种类型热电偶、可控硅调压主回路、动圈表、管式炉、水银温度计、UJ-36型直流电位差计、电子电位差计、转换开关、指示灯（红、绿）、中间继电器、交流接触器、接线端子排、导线若干等。2、热电偶的类型及极性的鉴别3、热电偶基本误差的确定4、电子电位差计基本误差的确定5、温度测量成套系统误差的校正用分别经过校正的热电偶和二次仪表组成测温系统时，热电偶及二次仪表在使用中具有互换性，即所有合
175、格的热电偶（误差已知）与所有合格的以该热电偶分度号刻度的二次仪表可以互相配套使用。5、温度测量成套系统误差的校正这样配套使用的测温系统具有的系统误差（绝对误差），用下列公式计算：式中r -热电偶的绝对误差c -热电偶冷端温度补偿误差 d -二次仪表的绝对误差例如，当用分度号为K的热电偶，配用1.0级的XCT-101仪表（量程为1100）测量1000时，假定已检定热电偶在该点的误差为7.5（对应分度表0.30mv），所用的XCT-101仪表在该点的误差为11（对应分度表0.44mv），查表2-9得出K型热电偶冷端温度补偿误差为0.16mv，则该套测温系统在该点的整体误差计算为：查查K K型热电偶
176、分度表相当于型热电偶分度表相当于1414。此处尚未计入补偿导线等方面的误差。由此可见，单独检定然后成套使用时，系统积累的误差可能是很大的，为此，工程上多采用成套检定法，以消除系统中固有的误差，从而可使测量准确度大大提高。 所谓成套检定法，就是热电偶、补偿导线、配接导线和二次仪表连接成整套测温系统后，用标准系统对其进行检定，从而使被检系统获得一个统一的误差，在以后使用中，只要保持着该系统的成套性和与检定时相同的外界条件，则这一误差可以保持不变。只要在这一系统中加上一个统一的修正值，便可以得出较准确的测量结果。成套检定的装置与比较法检定热电偶的装置相似，只是把标准热电偶永远与直流电位差计连接形成标准系统，而被检定系统的热电偶则通过补偿导线与其配套的二次仪表连接。检定时，先从标准系统上读出某检定点的真实值（标准值），然后对照被检定系统的指示值，两者的差值即为被检定系统在该点上的误差，这一误差反映了被检定系统的综合误差。系统中一些环节的误差被互相消除，从而可使整个系统的测量误差减低。同理，成套检定的准确程度，也取决于标准系统的误差及检定过程中产生的一些误差。本课程结束实验课再见！多提宝贵意见！联系方式：
